【Java多线程】面试常考——锁策略、synchronized的锁升级优化过程以及CAS(Compare and swap)

简介: 【Java多线程】面试常考——锁策略、synchronized的锁升级优化过程以及CAS(Compare and swap)

1、锁的策略

加锁过程中,处理冲突的过程中,涉及到的一些不同的处理方式,就叫锁的策略。


1.1、乐观锁和悲观锁

乐观锁

在加锁之前,预估当前出现锁冲突的概率不大,因此在进行加锁的时候就不会做太多的工作。


由于加锁过程中做的事情比较少,加锁的速度可能就更快,但是更容易引入一些其他的问题(消耗更多cpu资源)。



悲观锁

在加锁之前,预估当前出现锁冲突的概率比较大,因此在进行加锁的时候就会做更多的工作。


由于加锁过程中做的事情更多,加速的速度可能更慢,但是整个过程中不容易出现其他问题。


1.2、轻量级锁和重量级锁

轻量级锁

加锁的开销小,加锁的速度更快, 轻量级锁,一般就是乐观锁。



重量级锁

加锁的开销更大,加锁的速度更慢,重量级锁,一般就是悲观锁。


需要注意的是:


悲观乐观,是在加锁之前,对未发生的事情进行的预估。

轻量重量,是在加锁之后,对结果的评价。

但是整体来说,这两种角度,描述的都是同一个事情。


1.3、自旋锁和挂起等待锁

自旋锁

就是轻量级锁的一种典型实现,同时也是一种乐观锁。

进行加锁的时候,会搭配一个while循环,如果加锁成功,自然循环结束。

如果加锁不成功,不是阻塞放弃cpu,而是进行下一个循环,再次尝试获取到锁。

上述操作的反复快速执行的过程,就称为“自旋”。一旦其他线程释放了锁,就能第一时间拿到锁。



挂起等待锁

就是重量级锁的一种典型实现,同时也是一种悲观锁(适用于锁冲突激烈的情况)。


1.4、普通互斥锁和读写锁

普通互斥锁

类似于 synchronized 操作涉及的 加锁 和 解锁



读写锁

把加锁分为两种情况: 1)加读锁 ReadLock 2)加写锁 WriteLock

结论:读锁与读锁不会出现锁冲突(不会阻塞),写锁与写锁、读锁与写锁都会出现锁冲突(会阻塞)

这里的差异理解起来也很简单,因为两个线程进行读操作,本身就是线程安全的,所以不需要进行互斥(而且读操作在实际开发中有非常频繁,所以能够大大提升了性能), synchronized 不是读写锁,对于读写锁 JVM 同样封装了 api 给程序员使用。


1.5、公平锁和非公平锁

公平锁

先来后到叫公平,实现公平锁需要引入额外的数据结构(队列,记录先后顺序)。



非公平锁

Java中默认的锁就是非公平锁,正是因为非公平锁导致了“线程饿死”。


所谓“线程饿死”,可以理解为:


       当线程A获取锁时,发现此时不能完成实质性的逻辑(取钱时发现atm没钱了),此时只能释放锁并退出,重新与其他线程竞争该锁(刚刚释放锁的线程也会参与到锁竞争中)。有一个极端情况,就是每次释放锁之后又是线程A获取到了锁,并且此时依然无法完成实质性的逻辑,又只能释放锁。就出现【线程A忙了半天不干实事,其他线程都只能干等了】的情况,这就称之为“线程饿死”。

       而这种极端情况出现的概率还挺高的,因为线程A获取锁后处在RUNNABLE状态,而其他线程处在BLOCKED状态,处于BLOCKED状态的线程需要系统唤醒之后才能参与锁竞争,而线程A不需要,因此线程A再次获取到锁的概率比其他的线程高。



1.6、可重入锁和不可重入锁

针对一个线程一把锁,连续加锁两次不会产生死锁,就是可重入锁,反之就是不可重入锁。系统自带的锁是不可重入锁,Java 的 synchronized 是可重入锁。


2、synchronized 内部的升级与优化过程

Java 中的 synchronized 具有自适应能力。内部会自动评估当前锁冲突的剧烈程。


如果当前锁冲突的剧烈程度不大,就处在 乐观锁/轻量级锁/自旋锁。


如果当前锁冲突的剧烈程度很大,就处在 悲观锁/重量级锁/挂起等待锁。


2.1、锁的升级/膨胀

2.1.1、偏向锁阶段

类似于“懒汉模式”,能不加锁就不加锁,能晚加锁就晚加锁。在遇到竞争的情况下,偏向锁没有提高效率;但是如果在没有竞争的情况下, 偏向锁就大幅度的提高了效率。


.


【只是做了一个标记,没有真加锁(也就不存在互斥),一旦有其他线程想要来竞争锁,就在另一个线程之前先把锁获取到,进而从偏向锁升级到轻量级锁(存在互斥)。】


2.1.2、轻量级锁阶段

通过自旋锁的方式来实现,优势:其他线程释放锁后能够第一时间拿到锁;劣势:消耗cpu;


.


此外 synchronized 内部也会统计当前这个锁对象上,有多少个线程产于竞争(都是自旋式竞争),如果发现参与竞争的线程比较多,就会进一步升级到重量级锁。


2.1.3、重量级锁阶段

此时拿不到锁的线程就不会继续自旋,而是进入“阻塞等待”,让出cpu资源。锁被释放后回归随机唤醒机制。


2.2、锁消除

简单来说就是自动干掉不必要的锁。


2.3、锁粗化

简单来说就是把多个细粒度的锁合并成一个粗粒度的锁,减少锁竞争的开销。


以上说的所有机制,都是在内部自动执行的,不需要程序员在编写代码的时候真正的手动执行。


3、CAS(Compare and swap)

CAS(即比较并交换)本身是特殊的单个 cpu 指令,一个 CAS 涉及以下操作:


假设内存中的原数据V,旧的预期值A,需要修改的新值B


1、比较A与V是否相等(比较)


2、如果比较相等,将B写入V(交换)


3、返回操作是否成功


由于 CAS是单个 cpu 指令,使用 CAS 可以“原子”的完成很多复杂操作,不涉及到加锁,也不会阻塞,合理的使用也可以保证线程安全,使用 CAS 的编程方式称为“无锁化编程”,是多线程编程中的特殊技巧。


操作系统对 CAS 指令进行了封装成了 api ,JVM 有对操作系统提供的 api 又封装一层。


3.1、CAS 的应用

3.1.1、实现 Atomic 原子类

Java 标准库中的 Atomic 原子类就是基于 CAS 来实现的。



伪代码描述 CAS 以及 模拟 AtomicInteger 自增过程

3.1.2、实现自旋锁

伪代码描述自旋锁的执行过程

3.1.3、CAS 的 ABA 问题

CAS 使用的时候,关键要点是判定当前内存的值和寄存器中的值是否一样,判定是否一样的操作本质上是在判定这个代码执行的过程中是否有其他线程穿插进来了。


但是这样的判定可能存在这样的可能,本来数值是0,执行 CAS 之前,另一个线程把值从 0 → 100 ,又从 100 → 0 ,虽然改了,但是又改回去了,这种情况就称为 ABA 问题。CAS 的 ABA 问题一般情况下不会有问题,不会产生啥 bug ,但是就怕一些极端情况。


解决方案:

1、约定数据变化是单向的(只能添加或者只能减少),不能是双向的。

2、对于本身就必须双向变化的数据,可以引入一个版本号,版本号是单向增加的。


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