2024年java面试准备--多线程篇（2）

本篇文章为上部分续集，本篇主要写了线程安全包括：死锁、乐观锁、各类锁关键字和内存模型：volatile关键字、AQS思想和happens-before等，后续还会详细更新各个关键字，感兴趣的jym可以关注收藏一下，明天更新面试注意的一些多线程问题~

第一部分链接：2024年java面试准备--多线程篇（1）

线程安全

1、产生死锁的原因

1.因为系统资源不足

2.进程运行推进的顺序不合适

3.资源分配不当

如果系统资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。其次，进程运行推进顺序与速度不同，也可能会产生死锁。

2、产生死锁的四个必要条件

1.互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用

2.请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

3.不可剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。

4.循环等待条件：若干进程之间行成一种头尾相接的循环等待资源关系。

解决方法： 破坏死锁的任意一条件

乐观锁，破坏资源互斥条件，CAS

资源一次性分配，从而剥夺请求和保持条件、tryLock

可剥夺资源：即当进程新的资源未得到满足时，释放已占有的资源，从而破坏不可剥夺的条件，数据库deadlock超时

资源有序分配法：系统给每类资源赋予一个序号，每个进程按编号递增的请求资源，从而破坏环路等待的条件，转账场景

如何避免java死锁

上面是造成死锁必须要达到的4个条件，如果要避免死锁，只需要不满足其中某一个条件即可。而其中前3个条件是作为锁要符合的条件，所以要避免死锁就需要打破第4个条件不出现循环等待锁的关系。

在开发过程中:

1. 要注意加锁顺序，保证每个线程按同样的顺序进行加锁
2. 要注意加锁时限，可以针对所设置一个超时时间
3. 要注意死锁检查，这是一种预防机制，确保在第一时间发现死锁并进行解决

3、乐观锁，CAS思想

java乐观锁机制：

乐观锁体现的是悲观锁的反面。它是一种积极的思想，它总是认为数据是不会被修改的，所以是不会对数据上锁的。但是乐观锁在更新的时候会去判断数据是否被更新过。乐观锁的实现方案一般有两种（版本号机制和CAS）。乐观锁适用于读多写少的场景，这样可以提高系统的并发量。在Java中 java.util.concurrent.atomic下的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

　　乐观锁，大多是基于数据版本 (Version)记录机制实现。即为数据增加一个版本标识，在基于数据库表的版本解决方案中，一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来 实现。 读取出数据时，将此版本号一同读出，之后更新时，对此版本号加一。此时，将提 交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对，如果提交的数据 版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

CAS思想：

CAS就是compare and swap（比较交换），是一种很出名的无锁的算法，就是可以不使用锁机制实现线程间的同步。使用CAS线程是不会被阻塞的，所以又称为非阻塞同步。CAS算法涉及到三个操作：

需要读写内存值V；进行比较的值A；准备写入的值B

当且仅当V的值等于A的值等于V的值的时候，才用B的值去更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作-A和V比较，V和B替换），一般情况下是一个自旋操作，即不断重试

缺点：

高并发的情况下，很容易发生并发冲突，如果CAS一直失败，那么就会一直重试，浪费CPU资源

原子性：

功能限制CAS是能保证单个变量的操作是原子性的，在Java中要配合使用volatile关键字来保证线程的安全；当涉及到多个变量的时候CAS无能为力；除此之外CAS实现需要硬件层面的支持，在Java的普通用户中无法直接使用，只能借助atomic包下的原子类实现，灵活性受到了限制

4、悲观锁

当我们要对数据库中的一条数据进行修改的时候，为了避免同时被其他人修改，最好的办法就是直接对该数据进行加锁以防止并发的发生。

为什么叫做悲观锁呢？因为这是一种对数据的修改抱有悲观态度的并发控制方式。我们一般认为数据被并发修改的概率比较大，所以需要在修改之前先加锁。

利用悲观锁的解决思路是，我们认为数据修改产生冲突的概率比较大，所以在更新之前，我们显示的对要修改的记录进行加锁，直到自己修改完再释放锁。加锁期间只有自己可以进行读写，其他事务只能读不能写。

5、synchronized底层实现

使用方法： 主要的三种使⽤⽅式

修饰实例⽅法: 作⽤于当前对象实例加锁，进⼊同步代码前要获得当前对象实例的锁

修饰静态⽅法: 也就是给当前类加锁，会作⽤于类的所有对象实例，因为静态成员不属于任何⼀个实例对象，是类成员。

修饰代码块: 指定加锁对象，对给定对象加锁，进⼊同步代码库前要获得给定对象的锁。

总结： synchronized锁住的资源只有两类：一个是对象，一个是类。

底层实现：

对象头是我们需要关注的重点，它是synchronized实现锁的基础，因为synchronized申请锁、上锁、释放锁都与对象头有关。对象头主要结构是由Mark Word 组成，其中Mark Word存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息。

锁也分不同状态，JDK6之前只有两个状态：无锁、有锁（重量级锁），而在JDK6之后对synchronized进行了优化，新增了两种状态，总共就是四个状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，其中无锁就是一种状态了。锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录，在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。

同步代码块是利用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，而同步方法则是利用 flags 实现的。

锁的四种状态：

无锁：MarkWord标志位01，没有线程执行同步方法/代码块时的状态。

偏向锁：MarkWord标志位01（和无锁标志位一样）。当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程。当存在锁竞争情况，就需要升级为轻量级锁。

轻量级锁：MarkWord标志位00。轻量级锁是采用自旋锁的方式来实现的，没有抢到锁的线程将自旋，自旋到一定次数（固定次数/自适应）就会升级为重量级锁。轻量级锁是针对竞争锁对象线程不多且线程持有锁时间不长的场景。

重量级锁：通过对象内部监视器（monitor）实现，monitor本质前面也提到了是基于操作系统互斥（mutex）实现的，操作系统实现线程之间切换需要从用户态到内核态切换，成本非常高。

多线程中 synchronized 锁升级的原理是什么？

在锁对象的对象头里面有一个 threadid 字段，在第一次访问的时候 threadid 为空，jvm 让其持有偏向锁，并将 threadid 设置为其线程 id，再次进入的时候会先判断 threadid 是否与其线程 id 一致，如果一致则可以直接使用此对象，如果不一致，则升级偏向锁为轻量级锁，通过自旋循环一定次数来获取锁，执行一定次数之后，如果还没有正常获取到要使用的对象，此时就会把锁从轻量级升级为重量级锁，此过程就构成了 synchronized 锁的升级。

java线程锁机制是怎样的？

java的锁机制就是根据资源竞争的激烈程度不断进行锁升级的过程

Lock原理：

• Lock的存储结构：一个int类型状态值（用于锁的状态变更），一个双向链表（用于存储等待中的线程）
• Lock获取锁的过程：本质上是通过CAS来获取状态值修改，如果当场没获取到，会将该线程放在线程等待链表中。
• Lock释放锁的过程：修改状态值，调整等待链表。
• Lock大量使用CAS+自旋。因此根据CAS特性，lock建议使用在低锁冲突的情况下。

Lock与synchronized的区别：

1. Lock的加锁和解锁都是由java代码配合native方法（调用操作系统的相关方法）实现的，而synchronize的加锁和解锁的过程是由JVM管理的
2. 当一个线程使用synchronize获取锁时，若锁被其他线程占用着，那么当前只能被阻塞，直到成功获取锁。而Lock则提供超时锁和可中断等更加灵活的方式，在未能获取锁的 条件下提供一种退出的机制。
3. 一个锁内部可以有多个Condition实例，即有多路条件队列，而synchronize只有一路条件队列；同样Condition也提供灵活的阻塞方式，在未获得通知之前可以通过中断线程以 及设置等待时限等方式退出条件队列。
4. synchronize对线程的同步仅提供独占模式，而Lock即可以提供独占模式，也可以提供共享模式

6、ReenTrantLock底层实现

由于ReentrantLock是java.util.concurrent包下提供的一套互斥锁，相比Synchronized，ReentrantLock类提供了一些高级功能

使用方法：

基于API层面的互斥锁，需要lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成

底层实现：

ReenTrantLock的实现是一种自旋锁，通过循环调用CAS操作来实现加锁。它的性能比较好也是因为避免了使线程进入内核态的阻塞状态。想尽办法避免线程进入内核的阻塞状态是我们去分析和理解锁设计的关键钥匙。

和synchronized区别：

1、底层实现：synchronized 是JVM层面的锁，是Java关键字，通过monitor对象来完成（monitorenter与monitorexit），ReentrantLock 是从jdk1.5以来（java.util.concurrent.locks.Lock）提供的API层面的锁。

2、实现原理：synchronized 的实现涉及到锁的升级，具体为无锁、偏向锁、自旋锁、向OS申请重量级锁；ReentrantLock实现则是通过利用CAS（CompareAndSwap）自旋机制保证线程操作的原子性和volatile保证数据可见性以实现锁的功能。

3、是否可手动释放： synchronized 不需要用户去手动释放锁，synchronized 代码执行完后系统会自动让线程释放对锁的占用； ReentrantLock则需要用户去手动释放锁，如果没有手动释放锁，就可能导致死锁现象。

4、是否可中断synchronized是不可中断类型的锁，除非加锁的代码中出现异常或正常执行完成； ReentrantLock则可以中断，可通过trylock(long timeout,TimeUnit unit)设置超时方法或者将lockInterruptibly()放到代码块中，调用interrupt方法进行中断。

5、是否公平锁synchronized为非公平锁 ReentrantLock则即可以选公平锁也可以选非公平锁，通过构造方法new ReentrantLock时传入boolean值进行选择，为空默认false非公平锁，true为公平锁,公平锁性能非常低。

7、公平锁和非公平锁区别

公平锁：

公平锁自然是遵循FIFO（先进先出）原则的，先到的线程会优先获取资源，后到的会进行排队等待

优点： 所有的线程都能得到资源，不会饿死在队列中。适合大任务

缺点： 吞吐量会下降，队列里面除了第一个线程，其他的线程都会阻塞，cpu唤醒阻塞线程的开销大

非公平锁：

多个线程去获取锁的时候，会直接去尝试获取，获取不到，再去进入等待队列，如果能获取到，就直接获取到锁。

优点： 可以减少CPU唤醒线程的开销，整体的吞吐效率会高点，CPU也不必取唤醒所有线程，会减少唤起线程的数量。

缺点： 你们可能也发现了，这样可能导致队列中间的线程一直获取不到锁或者长时间获取不到锁

公平锁效率低原因：

公平锁要维护一个队列，后来的线程要加锁，即使锁空闲，也要先检查有没有其他线程在 wait，如果有自己要挂起，加到队列后面，然后唤醒队列最前面线程。这种情况下相比较非公平锁多了一次挂起和唤醒。

线程切换的开销，其实就是非公平锁效率高于公平锁的原因，因为非公平锁减少了线程挂起的几率，后来的线程有一定几率逃离被挂起的开销。

8、使用层面锁优化

【1】减少锁的时间：  不需要同步执行的代码，能不放在同步快里面执行就不要放在同步快内，可以让锁尽快释放；

【2】减少锁的粒度：  它的思想是将物理上的一个锁，拆成逻辑上的多个锁，增加并行度，从而降低锁竞争。它的思想也是用空间来换时间；java中很多数据结构都是采用这种方法提高并发操作的效率，比如：

ConcurrentHashMap：

java中的ConcurrentHashMap在jdk1.8之前的版本，使用一个Segment 数组：Segment< K,V >[] segments

Segment继承自ReenTrantLock，所以每个Segment是个可重入锁，每个Segment 有一个HashEntry< K,V >数组用来存放数据，put操作时，先确定往哪个Segment放数据，只需要锁定这个Segment，执行put，其它的Segment不会被锁定；所以数组中有多少个Segment就允许同一时刻多少个线程存放数据，这样增加了并发能力。

【3】锁粗化：  大部分情况下我们是要让锁的粒度最小化，锁的粗化则是要增大锁的粒度;

假如有一个循环，循环内的操作需要加锁，我们应该把锁放到循环外面，否则每次进出循环，都进出一次临界区，效率是非常差的；

【4】使用读写锁：

ReentrantReadWriteLock 是一个读写锁，读操作加读锁，可并发读，写操作使用写锁，只能单线程写；

【5】使用CAS：

如果需要同步的操作执行速度非常快，并且线程竞争并不激烈，这时候使用cas效率会更高，因为加锁会导致线程的上下文切换，如果上下文切换的耗时比同步操作本身更耗时，且线程对资源的竞争不激烈，使用volatiled+cas操作会是非常高效的选择；

9、系统层面锁优化

自适应自旋锁：

自旋锁可以避免等待竞争锁进入阻塞挂起状态被唤醒造成的内核态和用户态之间的切换的损耗，它们只需要等一等（自旋），但是如果锁被其他线程长时间占用，一直不释放CPU，死等会带来更多的性能开销；自旋次数默认值是10

对上面自旋锁优化方式的进一步优化，它的自旋的次数不再固定，其自旋的次数由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定，这就解决了自旋锁带来的缺点

锁消除：

锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。Netty中无锁化设计pipeline中channelhandler会进行锁消除的优化。

锁升级：

偏向锁：

如果线程已经占有这个锁，当他在次试图去获取这个锁的时候，他会已最快的方式去拿到这个锁，而不需要在进行一些monitor操作，因为在大部分情况下是没有竞争的，所以使用偏向锁是可以提高性能的；

轻量级锁：

在竞争不激烈的情况下，通过CAS避免线程上下文切换，可以显著的提高性能。

重量级锁：

重量级锁的加锁、解锁过程造成的损耗是固定的，重量级锁适合于竞争激烈、高并发、同步块执行时间长的情况。

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