并发编程面试题之并发理论

并发理论

Java中垃圾回收有什么目的?什么时候进行垃圾回收?

垃圾回收是在内存中存在没有引用的对象或超过作用域的对象时进行的。

垃圾回收的目的是识别并且丢弃应用不再使用的对象来释放和重用资源。

如果对象的引用被置为null,垃圾收集器是否会立即释放对象占用的内存?

不会,在下一个垃圾回调周期中,这个对象将是被可回收的。

也就是说并不会立即被垃圾收集器立刻回收,而是在下一次垃圾回收时才会释放其占用的内存。

finalize()方法什么时候被调用?析构函数(finalization)的目的是什么?

1)垃圾回收器(garbage colector)决定回收某对象时,就会运行该对象的finalize()方法;
finalize是Object类的一个方法,该方法在Object类中的声明protected void finalize() throws Throwable { }
在垃圾回收器执行时会调用被回收对象的finalize()方法,可以覆盖此方法来实现对其资源的回收。注意:一旦垃圾回收器准备释放对象占用的内存,将首先调用该对象的finalize()方法,并且下一次垃圾回收动作发生时,才真正回收对象占用的内存空间

2)GC本来就是内存回收了,应用还需要在finalization做什么呢? 答案是大部分时候,什么都不用做(也就是不需要重载)。只有在某些很特殊的情况下,比如你调用了一些native的方法(一般是C写的),可以要在finaliztion里去调用C的释放函数。

重排序与数据依赖性

为什么代码会重排序?

在执行程序时,为了提供性能,处理器和编译器常常会对指令进行重排序,但是不能随意重排序,不是你想怎么排序就怎么排序,它需要满足以下两个条件:

  • 在单线程环境下不能改变程序运行的结果;
  • 存在数据依赖关系的不允许重排序

需要注意的是:重排序不会影响单线程环境的执行结果,但是会破坏多线程的执行语义。

as-if-serial规则和happens-before规则的区别

  • as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变,happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。
  • as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境:单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境:正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的。
  • as-if-serial语义和happens-before这么做的目的,都是为了在不改变程序执行结果的前提下,尽可能地提高程序执行的并行度。

并发关键字

synchronized

synchronized 的作用?

在 Java 中,synchronized 关键字是用来控制线程同步的,就是在多线程的环境下,控制 synchronized 代码段不被多个线程同时执行。synchronized 可以修饰类、方法、变量。

另外,在 Java 早期版本中,synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的,Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程,都需要操作系统帮忙完成,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化,如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

说说自己是怎么使用 synchronized 关键字,在项目中用到了吗

synchronized关键字最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( static 表明这是该类的一个静态资源,不管new了多少个对象,只有一份)。所以如果一个线程A调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法,而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法,是允许的,不会发生互斥现象,因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁,而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁
  • 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 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class)代码块上都是是给 Class 类上锁。synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁。尽量不要使用 synchronized(String a) 因为JVM中,字符串常量池具有缓存功能!

下面我以一个常见的面试题为例讲解一下 synchronized 关键字的具体使用。

面试中面试官经常会说:“单例模式了解吗?来给我手写一下!给我解释一下双重检验锁方式实现单例模式的原理呗!”

双重校验锁实现对象单例(线程安全)

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过,没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}
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另外,需要注意 uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的, uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空,因此返回 uniqueInstance,但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

说一下 synchronized 底层实现原理?

synchronized是Java中的一个关键字,在使用的过程中并没有看到显示的加锁和解锁过程。因此有必要通过javap命令,查看相应的字节码文件。

synchronized 同步语句块的情况

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}
1234567

通过JDK 反汇编指令 javap -c -v SynchronizedDemo

并发编程面试题之并发理论

可以看出在执行同步代码块之前之后都有一个monitor字样,其中前面的是monitorenter,后面的是离开monitorexit,不难想象一个线程也执行同步代码块,首先要获取锁,而获取锁的过程就是monitorenter ,在执行完代码块之后,要释放锁,释放锁就是执行monitorexit指令。

为什么会有两个monitorexit呢?

这个主要是防止在同步代码块中线程因异常退出,而锁没有得到释放,这必然会造成死锁(等待的线程永远获取不到锁)。因此最后一个monitorexit是保证在异常情况下,锁也可以得到释放,避免死锁。
仅有ACC_SYNCHRONIZED这么一个标志,该标记表明线程进入该方法时,需要monitorenter,退出该方法时需要monitorexit。

synchronized可重入的原理

重入锁是指一个线程获取到该锁之后,该线程可以继续获得该锁。底层原理维护一个计数器,当线程获取该锁时,计数器加一,再次获得该锁时继续加一,释放锁时,计数器减一,当计数器值为0时,表明该锁未被任何线程所持有,其它线程可以竞争获取锁。

什么是自旋

很多 synchronized 里面的代码只是一些很简单的代码,执行时间非常快,此时等待的线程都加锁可能是一种不太值得的操作,因为线程阻塞涉及到用户态和内核态切换的问题。既然 synchronized 里面的代码执行得非常快,不妨让等待锁的线程不要被阻塞,而是在 synchronized 的边界做忙循环,这就是自旋。如果做了多次循环发现还没有获得锁,再阻塞,这样可能是一种更好的策略。

多线程中 synchronized 锁升级的原理是什么?

synchronized 锁升级原理: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。

锁的升级的目的:锁升级是为了减低了锁带来的性能消耗。在 Java 6 之后优化 synchronized 的实现方式,使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式,从而减低了锁带来的性能消耗。

线程 B 怎么知道线程 A 修改了变量

(1)volatile 修饰变量

(2)synchronized 修饰修改变量的方法

(3)wait/notify

(4)while 轮询

当一个线程进入一个对象的 synchronized 方法 A 之后,其它线程是否可进入此对象的 synchronized 方法 B?

不能。其它线程只能访问该对象的非同步方法,同步方法则不能进入。因为非静态方法上的 synchronized 修饰符要求执行方法时要获得对象的锁,如果已经进入A 方法说明对象锁已经被取走,那么试图进入 B 方法的线程就只能在等锁池(注意不是等待池哦)中等待对象的锁。

synchronized、volatile、CAS 比较

(1)synchronized 是悲观锁,属于抢占式,会引起其他线程阻塞。

(2)volatile 提供多线程共享变量可见性和禁止指令重排序优化。

(3)CAS 是基于冲突检测的乐观锁(非阻塞)

synchronized 和 Lock 有什么区别?

  • 首先synchronized是Java内置关键字,在JVM层面,Lock是个Java类;
  • synchronized 可以给类、方法、代码块加锁;而 lock 只能给代码块加锁。
  • synchronized 不需要手动获取锁和释放锁,使用简单,发生异常会自动释放锁,不会造成死锁;而 lock 需要自己加锁和释放锁,如果使用不当没有 unLock()去释放锁就会造成死锁。
  • 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁,而 synchronized 却无法办到。

synchronized 和 ReentrantLock 区别是什么?

synchronized 是和 if、else、for、while 一样的关键字,ReentrantLock 是类,这是二者的本质区别。既然 ReentrantLock 是类,那么它就提供了比synchronized 更多更灵活的特性,可以被继承、可以有方法、可以有各种各样的类变量

synchronized 早期的实现比较低效,对比 ReentrantLock,大多数场景性能都相差较大,但是在 Java 6 中对 synchronized 进行了非常多的改进。

相同点:两者都是可重入锁

两者都是可重入锁。“可重入锁”概念是:自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁,此时这个对象锁还没有释放,当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的,如果不可锁重入的话,就会造成死锁。同一个线程每次获取锁,锁的计数器都自增1,所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。

主要区别如下:

  • ReentrantLock 使用起来比较灵活,但是必须有释放锁的配合动作;
  • ReentrantLock 必须手动获取与释放锁,而 synchronized 不需要手动释放和开启锁;
  • ReentrantLock 只适用于代码块锁,而 synchronized 可以修饰类、方法、变量等。
  • 二者的锁机制其实也是不一样的。ReentrantLock 底层调用的是 Unsafe 的park 方法加锁,synchronized 操作的应该是对象头中 mark word

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:

  • 普通同步方法,锁是当前实例对象
  • 静态同步方法,锁是当前类的class对象
  • 同步方法块,锁是括号里面的对象

volatile

volatile 关键字的作用

对于可见性,Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性和禁止指令重排。 volatile 提供 happens-before 的保证,确保一个线程的修改能对其他线程是可见的。当一个共享变量被 volatile 修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

从实践角度而言,volatile 的一个重要作用就是和 CAS 结合,保证了原子性,详细的可以参见 java.util.concurrent.atomic 包下的类,比如 AtomicInteger。

volatile 常用于多线程环境下的单次操作(单次读或者单次写)。

Java 中能创建 volatile 数组吗?

能,Java 中可以创建 volatile 类型数组,不过只是一个指向数组的引用,而不是整个数组。意思是,如果改变引用指向的数组,将会受到 volatile 的保护,但是如果多个线程同时改变数组的元素,volatile 标示符就不能起到之前的保护作用了。

volatile 变量和 atomic 变量有什么不同?

volatile 变量可以确保先行关系,即写操作会发生在后续的读操作之前, 但它并不能保证原子性。例如用 volatile 修饰 count 变量,那么 count++ 操作就不是原子性的。

而 AtomicInteger 类提供的 atomic 方法可以让这种操作具有原子性如getAndIncrement()方法会原子性的进行增量操作把当前值加一,其它数据类型和引用变量也可以进行相似操作。

volatile 能使得一个非原子操作变成原子操作吗?

关键字volatile的主要作用是使变量在多个线程间可见,但无法保证原子性,对于多个线程访问同一个实例变量需要加锁进行同步。

虽然volatile只能保证可见性不能保证原子性,但用volatile修饰long和double可以保证其操作原子性。

所以从Oracle Java Spec里面可以看到:

  • 对于64位的long和double,如果没有被volatile修饰,那么对其操作可以不是原子的。在操作的时候,可以分成两步,每次对32位操作。
  • 如果使用volatile修饰long和double,那么其读写都是原子操作
  • 对于64位的引用地址的读写,都是原子操作
  • 在实现JVM时,可以自由选择是否把读写long和double作为原子操作
  • 推荐JVM实现为原子操作

volatile 修饰符的有过什么实践?

单例模式

是否 Lazy 初始化:是

是否多线程安全:是

实现难度:较复杂

描述:对于Double-Check这种可能出现的问题(当然这种概率已经非常小了,但毕竟还是有的嘛~),解决方案是:只需要给instance的声明加上volatile关键字即可volatile关键字的一个作用是禁止指令重排,把instance声明为volatile之后,对它的写操作就会有一个内存屏障(什么是内存屏障?),这样,在它的赋值完成之前,就不用会调用读操作。注意:volatile阻止的不是singleton = newSingleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排,而是保证了在一个写操作([1-2-3])完成之前,不会调用读操作(if (instance == null))。

public class Singleton7 {

    private static volatile Singleton7 instance = null;

    private Singleton7() {}

    public static Singleton7 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton7.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton7();
                }
            }
        }

        return instance;
    }

}
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synchronized 和 volatile 的区别是什么?

synchronized 表示只有一个线程可以获取作用对象的锁,执行代码,阻塞其他线程。

volatile 表示变量在 CPU 的寄存器中是不确定的,必须从主存中读取。保证多线程环境下变量的可见性;禁止指令重排序。

区别

  • volatile 是变量修饰符;synchronized 可以修饰类、方法、变量。
  • volatile 仅能实现变量的修改可见性,不能保证原子性;而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性。
  • volatile 不会造成线程的阻塞;synchronized 可能会造成线程的阻塞。
  • volatile标记的变量不会被编译器优化;synchronized标记的变量可以被编译器优化。
  • volatile关键字是线程同步的轻量级实现,所以volatile性能肯定比synchronized关键字要好。但是volatile关键字只能用于变量而synchronized关键字可以修饰方法以及代码块。synchronized关键字在JavaSE1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁以及其它各种优化之后执行效率有了显著提升,实际开发中使用 synchronized 关键字的场景还是更多一些

final

什么是不可变对象,它对写并发应用有什么帮助?

不可变对象(Immutable Objects)即对象一旦被创建它的状态(对象的数据,也即对象属性值)就不能改变,反之即为可变对象(Mutable Objects)。

不可变对象的类即为不可变类(Immutable Class)。Java 平台类库中包含许多不可变类,如 String、基本类型的包装类、BigInteger 和 BigDecimal 等。

只有满足如下状态,一个对象才是不可变的;

  • 它的状态不能在创建后再被修改;
  • 所有域都是 final 类型;并且,它被正确创建(创建期间没有发生 this 引用的逸出)。

不可变对象保证了对象的内存可见性,对不可变对象的读取不需要进行额外的同步手段,提升了代码执行效率。

Lock体系

Lock简介与初识AQS

Java Concurrency API 中的 Lock 接口(Lock interface)是什么?对比同步它有什么优势?

Lock 接口比同步方法和同步块提供了更具扩展性的锁操作。他们允许更灵活的结构,可以具有完全不同的性质,并且可以支持多个相关类的条件对象。

它的优势有:

(1)可以使锁更公平

(2)可以使线程在等待锁的时候响应中断

(3)可以让线程尝试获取锁,并在无法获取锁的时候立即返回或者等待一段时间

(4)可以在不同的范围,以不同的顺序获取和释放锁

整体上来说 Lock 是 synchronized 的扩展版,Lock 提供了无条件的、可轮询的(tryLock 方法)、定时的(tryLock 带参方法)、可中断的(lockInterruptibly)、可多条件队列的(newCondition 方法)锁操作。另外 Lock 的实现类基本都支持非公平锁(默认)和公平锁,synchronized 只支持非公平锁,当然,在大部分情况下,非公平锁是高效的选择。

乐观锁和悲观锁的理解及如何实现,有哪些实现方式?

悲观锁:总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。再比如 Java 里面的同步原语 synchronized 关键字的实现也是悲观锁。

乐观锁:顾名思义,就是很乐观,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量,像数据库提供的类似于 write_condition 机制,其实都是提供的乐观锁。在 Java中 java.util.concurrent.atomic 包下面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。

乐观锁的实现方式:

1、使用版本标识来确定读到的数据与提交时的数据是否一致。提交后修改版本标识,不一致时可以采取丢弃和再次尝试的策略。

2、java 中的 Compare and Swap 即 CAS ,当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。 CAS 操作中包含三个操作数 —— 需要读写的内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置 V 的值与预期原值 A 相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 B。否则处理器不做任何操作。

什么是 CAS

CAS 是 compare and swap 的缩写,即我们所说的比较交换。

cas 是一种基于锁的操作,而且是乐观锁。在 java 中锁分为乐观锁和悲观锁。悲观锁是将资源锁住,等一个之前获得锁的线程释放锁之后,下一个线程才可以访问。而乐观锁采取了一种宽泛的态度,通过某种方式不加锁来处理资源,比如通过给记录加 version 来获取数据,性能较悲观锁有很大的提高。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存地址里面的值和 A 的值是一样的,那么就将内存里面的值更新成 B。CAS是通过无限循环来获取数据的,若果在第一轮循环中,a 线程获取地址里面的值被b 线程修改了,那么 a 线程需要自旋,到下次循环才有可能机会执行。

java.util.concurrent.atomic 包下的类大多是使用 CAS 操作来实现的(AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicLong)。

CAS 的会产生什么问题?

1、ABA 问题:

比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A,这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A,并且 two 进行了一些操作变成了 B,然后 two 又将 V 位置的数据变成 A,这时候线程 one 进行 CAS 操作发现内存中仍然是 A,然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功,但可能存在潜藏的问题。从 Java1.5 开始 JDK 的 atomic包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。

2、循环时间长开销大:

对于资源竞争严重(线程冲突严重)的情况,CAS 自旋的概率会比较大,从而浪费更多的 CPU 资源,效率低于 synchronized。

3、只能保证一个共享变量的原子操作:

当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环 CAS 就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁。

什么是死锁?

当线程 A 持有独占锁a,并尝试去获取独占锁 b 的同时,线程 B 持有独占锁 b,并尝试获取独占锁 a 的情况下,就会发生 AB 两个线程由于互相持有对方需要的锁,而发生的阻塞现象,我们称为死锁。

产生死锁的条件是什么?怎么防止死锁?

产生死锁的必要条件:

1、互斥条件:所谓互斥就是进程在某一时间内独占资源。

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、不剥夺条件:进程已获得资源,在末使用完之前,不能强行剥夺。

4、循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

这四个条件是死锁的必要条件,只要系统发生死锁,这些条件必然成立,而只要上述条件之 一不满足,就不会发生死锁。

理解了死锁的原因,尤其是产生死锁的四个必要条件,就可以最大可能地避免、预防和 解除死锁。

防止死锁可以采用以下的方法:

  • 尽量使用 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)的方法(ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock),设置超时时间,超时可以退出防止死锁。
  • 尽量使用 Java. util. concurrent 并发类代替自己手写锁。
  • 尽量降低锁的使用粒度,尽量不要几个功能用同一把锁。
  • 尽量减少同步的代码块。

死锁与活锁的区别,死锁与饥饿的区别?

死锁:是指两个或两个以上的进程(或线程)在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。

活锁:任务或者执行者没有被阻塞,由于某些条件没有满足,导致一直重复尝试,失败,尝试,失败。

活锁和死锁的区别在于,处于活锁的实体是在不断的改变状态,这就是所谓的“活”, 而处于死锁的实体表现为等待;活锁有可能自行解开,死锁则不能。

饥饿:一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行的状态。

Java 中导致饥饿的原因:

1、高优先级线程吞噬所有的低优先级线程的 CPU 时间。

2、线程被永久堵塞在一个等待进入同步块的状态,因为其他线程总是能在它之前持续地对该同步块进行访问。

3、线程在等待一个本身也处于永久等待完成的对象(比如调用这个对象的 wait 方法),因为其他线程总是被持续地获得唤醒。

多线程锁的升级原理是什么?

在Java中,锁共有4种状态,级别从低到高依次为:无状态锁,偏向锁,轻量级锁和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级。

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)详解与源码分析

AQS 介绍

AQS的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在java.util.concurrent.locks包下面。

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AQS是一个用来构建锁和同步器的框架,使用AQS能简单且高效地构造出应用广泛的大量的同步器,比如我们提到的ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask等等皆是基于AQS的。当然,我们自己也能利用AQS非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

AQS 原理分析

下面大部分内容其实在AQS类注释上已经给出了,不过是英语看着比较吃力一点,感兴趣的话可以看看源码。

AQS 原理概览

AQS核心思想是,如果被请求的共享资源空闲,则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程,并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用,那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制,这个机制AQS是用CLH队列锁实现的,即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列(虚拟的双向队列即不存在队列实例,仅存在结点之间的关联关系)。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点(Node)来实现锁的分配。

看个AQS(AbstractQueuedSynchronizer)原理图:

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AQS使用一个int成员变量来表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS使用CAS对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;//共享变量,使用volatile修饰保证线程可见性
1

状态信息通过protected类型的getState,setState,compareAndSetState进行操作

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地(CAS操作)将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
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AQS 对资源的共享方式

AQS定义两种资源共享方式

  • Exclusive(独占):只有一个线程能执行,如ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁:公平锁:按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁非公平锁:当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,谁抢到就是谁的
  • Share(共享):多个线程可同时执行,如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是组合式,因为ReentrantReadWriteLock也就是读写锁允许多个线程同时对某一资源进行读。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源 state 的获取与释放方式即可,至于具体线程等待队列的维护(如获取资源失败入队/唤醒出队等),AQS已经在顶层实现好了。

AQS底层使用了模板方法模式

同步器的设计是基于模板方法模式的,如果需要自定义同步器一般的方式是这样(模板方法模式很经典的一个应用):

  1. 使用者继承AbstractQueuedSynchronizer并重写指定的方法。(这些重写方法很简单,无非是对于共享资源state的获取和释放)
  2. 将AQS组合在自定义同步组件的实现中,并调用其模板方法,而这些模板方法会调用使用者重写的方法。

这和我们以往通过实现接口的方式有很大区别,这是模板方法模式很经典的一个运用。

AQS使用了模板方法模式,自定义同步器时需要重写下面几个AQS提供的模板方法:

isHeldExclusively()//该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
tryAcquire(int)//独占方式。尝试获取资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryRelease(int)//独占方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。
tryAcquireShared(int)//共享方式。尝试获取资源。负数表示失败;0表示成功,但没有剩余可用资源;正数表示成功,且有剩余资源。
tryReleaseShared(int)//共享方式。尝试释放资源,成功则返回true,失败则返回false。

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默认情况下,每个方法都抛出 UnsupportedOperationException。 这些方法的实现必须是内部线程安全的,并且通常应该简短而不是阻塞。AQS类中的其他方法都是final ,所以无法被其他类使用,只有这几个方法可以被其他类使用。

以ReentrantLock为例,state初始化为0,表示未锁定状态。A线程lock()时,会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后,其他线程再tryAcquire()时就会失败,直到A线程unlock()到state=0(即释放锁)为止,其它线程才有机会获取该锁。当然,释放锁之前,A线程自己是可以重复获取此锁的(state会累加),这就是可重入的概念。但要注意,获取多少次就要释放多么次,这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch以例,任务分为N个子线程去执行,state也初始化为N(注意N要与线程个数一致)。这N个子线程是并行执行的,每个子线程执行完后countDown()一次,state会CAS(Compare and Swap)减1。等到所有子线程都执行完后(即state=0),会unpark()主调用线程,然后主调用线程就会从await()函数返回,继续后余动作。

一般来说,自定义同步器要么是独占方法,要么是共享方式,他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式,如ReentrantReadWriteLock。

ReentrantLock(重入锁)实现原理与公平锁非公平锁区别

什么是可重入锁(ReentrantLock)?

ReentrantLock重入锁,是实现Lock接口的一个类,也是在实际编程中使用频率很高的一个锁,支持重入性,表示能够对共享资源能够重复加锁,即当前线程获取该锁再次获取不会被阻塞。

在java关键字synchronized隐式支持重入性,synchronized通过获取自增,释放自减的方式实现重入。与此同时,ReentrantLock还支持公平锁和非公平锁两种方式。那么,要想完完全全的弄懂ReentrantLock的话,主要也就是ReentrantLock同步语义的学习:1. 重入性的实现原理;2. 公平锁和非公平锁。

重入性的实现原理

要想支持重入性,就要解决两个问题:1. 在线程获取锁的时候,如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功;2. 由于锁会被获取n次,那么只有锁在被释放同样的n次之后,该锁才算是完全释放成功

ReentrantLock支持两种锁:公平锁非公平锁何谓公平性,是针对获取锁而言的,如果一个锁是公平的,那么锁的获取顺序就应该符合请求上的绝对时间顺序,满足FIFO

读写锁ReentrantReadWriteLock源码分析

ReadWriteLock 是什么

首先明确一下,不是说 ReentrantLock 不好,只是 ReentrantLock 某些时候有局限。如果使用 ReentrantLock,可能本身是为了防止线程 A 在写数据、线程 B 在读数据造成的数据不一致,但这样,如果线程 C 在读数据、线程 D 也在读数据,读数据是不会改变数据的,没有必要加锁,但是还是加锁了,降低了程序的性能。因为这个,才诞生了读写锁 ReadWriteLock。

ReadWriteLock 是一个读写锁接口,读写锁是用来提升并发程序性能的锁分离技术,ReentrantReadWriteLock 是 ReadWriteLock 接口的一个具体实现,实现了读写的分离,读锁是共享的,写锁是独占的,读和读之间不会互斥,读和写、写和读、写和写之间才会互斥,提升了读写的性能。

而读写锁有以下三个重要的特性:

(1)公平选择性:支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量还是非公平优于公平。

(2)重进入:读锁和写锁都支持线程重进入。

(3)锁降级:遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁。

Condition源码分析与等待通知机制

LockSupport详解

并发容器

并发容器之ConcurrentHashMap详解(JDK1.8版本)与源码分析

什么是ConcurrentHashMap?

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全且高效的HashMap实现。平时涉及高并发如果要用map结构,那第一时间想到的就是它。相对于hashmap来说,ConcurrentHashMap就是线程安全的map,其中利用了锁分段的思想提高了并发度。

那么它到底是如何实现线程安全的?

JDK 1.6版本关键要素:

  • segment继承了ReentrantLock充当锁的角色,为每一个segment提供了线程安全的保障;
  • segment维护了哈希散列表的若干个桶,每个桶由HashEntry构成的链表。

JDK1.8后,ConcurrentHashMap抛弃了原有的Segment 分段锁,而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性

Java 中 ConcurrentHashMap 的并发度是什么?

ConcurrentHashMap 把实际 map 划分成若干部分来实现它的可扩展性和线程安全。这种划分是使用并发度获得的,它是 ConcurrentHashMap 类构造函数的一个可选参数,默认值为 16,这样在多线程情况下就能避免争用。

在 JDK8 后,它摒弃了 Segment(锁段)的概念,而是启用了一种全新的方式实现,利用 CAS 算法。同时加入了更多的辅助变量来提高并发度,具体内容还是查看源码吧。

什么是并发容器的实现?

何为同步容器:可以简单地理解为通过 synchronized 来实现同步的容器,如果有多个线程调用同步容器的方法,它们将会串行执行。比如 Vector,Hashtable,以及 Collections.synchronizedSet,synchronizedList 等方法返回的容器。可以通过查看 Vector,Hashtable 等这些同步容器的实现代码,可以看到这些容器实现线程安全的方式就是将它们的状态封装起来,并在需要同步的方法上加上关键字 synchronized。

并发容器使用了与同步容器完全不同的加锁策略来提供更高的并发性和伸缩性,例如在 ConcurrentHashMap 中采用了一种粒度更细的加锁机制,可以称为分段锁,在这种锁机制下,允许任意数量的读线程并发地访问 map,并且执行读操作的线程和写操作的线程也可以并发的访问 map,同时允许一定数量的写操作线程并发地修改 map,所以它可以在并发环境下实现更高的吞吐量。

Java 中的同步集合与并发集合有什么区别?

同步集合与并发集合都为多线程和并发提供了合适的线程安全的集合,不过并发集合的可扩展性更高。在 Java1.5 之前程序员们只有同步集合来用且在多线程并发的时候会导致争用,阻碍了系统的扩展性。Java5 介绍了并发集合像ConcurrentHashMap,不仅提供线程安全还用锁分离和内部分区等现代技术提高了可扩展性。

SynchronizedMap 和 ConcurrentHashMap 有什么区别?

SynchronizedMap 一次锁住整张表来保证线程安全,所以每次只能有一个线程来访为 map。

ConcurrentHashMap 使用分段锁来保证在多线程下的性能。

ConcurrentHashMap 中则是一次锁住一个桶。ConcurrentHashMap 默认将hash 表分为 16 个桶,诸如 get,put,remove 等常用操作只锁当前需要用到的桶。

这样,原来只能一个线程进入,现在却能同时有 16 个写线程执行,并发性能的提升是显而易见的。

另外 ConcurrentHashMap 使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中,当iterator 被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException,取而代之的是在改变时 new 新的数据从而不影响原有的数据,iterator 完成后再将头指针替换为新的数据 ,这样 iterator线程可以使用原来老的数据,而写线程也可以并发的完成改变。

并发容器之CopyOnWriteArrayList详解

CopyOnWriteArrayList 是什么,可以用于什么应用场景?有哪些优缺点?

CopyOnWriteArrayList 是一个并发容器。有很多人称它是线程安全的,我认为这句话不严谨,缺少一个前提条件,那就是非复合场景下操作它是线程安全的。

CopyOnWriteArrayList(免锁容器)的好处之一是当多个迭代器同时遍历和修改这个列表时,不会抛出 ConcurrentModificationException。在CopyOnWriteArrayList 中,写入将导致创建整个底层数组的副本,而源数组将保留在原地,使得复制的数组在被修改时,读取操作可以安全地执行。

CopyOnWriteArrayList 的使用场景

通过源码分析,我们看出它的优缺点比较明显,所以使用场景也就比较明显。就是合适读多写少的场景。

CopyOnWriteArrayList 的缺点

  1. 由于写操作的时候,需要拷贝数组,会消耗内存,如果原数组的内容比较多的情况下,可能导致 young gc 或者 full gc。
  2. 不能用于实时读的场景,像拷贝数组、新增元素都需要时间,所以调用一个 set 操作后,读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求。
  3. 由于实际使用中可能没法保证 CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据,万一数据稍微有点多,每次 add/set 都要重新复制数组,这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中,这种操作分分钟引起故障。

CopyOnWriteArrayList 的设计思想

  1. 读写分离,读和写分开
  2. 最终一致性
  3. 使用另外开辟空间的思路,来解决并发冲突

并发容器之ThreadLocal详解

ThreadLocal 是什么?有哪些使用场景?

ThreadLocal 是一个本地线程副本变量工具类,在每个线程中都创建了一个 ThreadLocalMap 对象,简单说 ThreadLocal 就是一种以空间换时间的做法,每个线程可以访问自己内部 ThreadLocalMap 对象内的 value。通过这种方式,避免资源在多线程间共享。

原理:线程局部变量是局限于线程内部的变量,属于线程自身所有,不在多个线程间共享。Java提供ThreadLocal类来支持线程局部变量,是一种实现线程安全的方式。但是在管理环境下(如 web 服务器)使用线程局部变量的时候要特别小心,在这种情况下,工作线程的生命周期比任何应用变量的生命周期都要长。任何线程局部变量一旦在工作完成后没有释放,Java 应用就存在内存泄露的风险。

经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection。这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作,不会出现 A 线程关了 B线程正在使用的 Connection; 还有 Session 管理 等问题。

ThreadLocal 使用例子:

public class TestThreadLocal {
    
    //线程本地存储变量
    private static final ThreadLocal<Integer> THREAD_LOCAL_NUM 
        = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };
 
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i <3; i++) {//启动三个线程
            Thread t = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    add10ByThreadLocal();
                }
            };
            t.start();
        }
    }
    
    /**
     * 线程本地存储变量加 5
     */
    private static void add10ByThreadLocal() {
        for (int i = 0; i <5; i++) {
            Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get();
            n += 1;
            THREAD_LOCAL_NUM.set(n);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n);
        }
    }
    
}
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536

打印结果:启动了 3 个线程,每个线程最后都打印到 “ThreadLocal num=5”,而不是 num 一直在累加直到值等于 15

Thread-0 : ThreadLocal num=1
Thread-1 : ThreadLocal num=1
Thread-0 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=2
Thread-2 : ThreadLocal num=1
Thread-0 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=2
Thread-1 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=3
Thread-0 : ThreadLocal num=5
Thread-2 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=5
123456789101112131415

什么是线程局部变量?

线程局部变量是局限于线程内部的变量,属于线程自身所有,不在多个线程间共享。Java 提供 ThreadLocal 类来支持线程局部变量,是一种实现线程安全的方式。但是在管理环境下(如 web 服务器)使用线程局部变量的时候要特别小心,在这种情况下,工作线程的生命周期比任何应用变量的生命周期都要长。任何线程局部变量一旦在工作完成后没有释放,Java 应用就存在内存泄露的风险。

ThreadLocal内存泄漏分析与解决方案

ThreadLocal造成内存泄漏的原因?

ThreadLocalMap 中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用,而 value 是强引用。所以,如果 ThreadLocal没有被外部强引用的情况下,在垃圾回收的时候,key 会被清理掉,而 value 不会被清理掉。这样一来,ThreadLocalMap 中就会出现key为null的Entry。假如我们不做任何措施的话,value 永远无法被GC 回收,这个时候就可能会产生内存泄露。ThreadLocalMap实现中已经考虑了这种情况,在调用 set()、get()、remove() 方法的时候,会清理掉 key 为 null 的记录。使用完 ThreadLocal方法后 最好手动调用remove()方法

ThreadLocal内存泄漏解决方案?

  • 每次使用完ThreadLocal,都调用它的remove()方法,清除数据。
  • 在使用线程池的情况下,没有及时清理ThreadLocal,不仅是内存泄漏的问题,更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以,使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样,用完就清理。

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