面試【JAVA基礎】鎖

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一、鎖狀態

鎖的狀態只能升級不能降級。

• 無鎖

沒有鎖對資源進行鎖定，全部線程都能訪問並修改同一個資源，但同時只有一個線程能修改爲功。其餘修改失敗的線程會不斷重試，直到修改爲功，如CAS原理和應用是無鎖的實現。

• 偏向鎖

偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個線程訪問，那個該線程會自動獲取鎖，下降獲取鎖的代價。

• 輕量級鎖

是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會升級爲輕量級鎖，其餘線程會經過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提升性能。經過cas操做和自旋來解決加鎖問題，自旋超過必定的次數或者已經有一個線程在自旋，又來一個線程獲取鎖時，輕量級鎖會升級爲重量級鎖。

• 重量級鎖

升級爲重量級鎖，等待鎖的線程都會進入阻塞狀態。

二、樂觀鎖與悲觀鎖

1. 樂觀鎖，每次拿數據的時候認爲別人都不會修改，在更新的時候再判斷在此期間有沒有更新數據，可使用版本號等機制，適合讀取多場景，提升性能。
2. 悲觀鎖，每次拿數據都認爲別人會修改，都會上鎖，可使用synchronized、獨佔鎖Lock、讀寫鎖等機制，適合寫多的場景，保證寫入操做正確。

三、自旋鎖與適應性自旋鎖

• 自旋鎖：指當一個線程在獲取鎖的時候，若是鎖已經被其餘線程獲取，那麼該線程將循環等待，而後不斷判斷鎖是否能獲取成功，直到獲取到鎖才退出循環。

優勢：線程不進行上下文切換，減小了上下文切換的時間。
存在的問題：若是線程持有鎖的時間較長，其餘線程進入循環，消耗cpu。

• 自適應自旋鎖：指的是自旋的時間不固定，由前一個在同一個鎖上自旋的時間和鎖擁有者的狀態來決定。若是在同一個對象上，剛剛經過自旋成功獲取過鎖，且持有鎖的線程正在運行中，那麼虛擬機就會認爲此次自旋頗有可能再次成功。反之自旋操做不多成功獲取鎖，那麼後面獲取這個鎖可能直接省略掉自旋的過程，直接阻塞線程。

四、公平鎖與非公平鎖

1. 公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序直接進入隊列排隊，隊列中的第一個線程才能獲取鎖。
2. 非公平鎖是指線程先嚐試獲取鎖，獲取不到進入隊列中排隊，若是能獲取到，則無需阻塞直接獲取鎖。

五、重入鎖與非重入鎖

重入鎖：同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，在進入內層方法會自動獲取鎖，前提是鎖對象是相同的。

六、共享鎖與排他鎖

1. 共享鎖是指一個鎖能夠被多個線程鎖持有。
2. 排它鎖或者叫獨享鎖或者互斥鎖 指鎖一次只能被一個線程所持有。

七、讀寫鎖

1. 讀鎖是共享的，寫鎖是獨佔的。
2. 讀讀之間不會互斥，讀寫互斥，寫寫互斥，讀寫鎖提升了讀的性能。

八、CAS

CompareAndSwap比較與交換，是一種無鎖算法，原子類使用了CAS實現了樂觀鎖。
帶來的問題:

1. ABA問題

解決思路在變量前面加版本號，每次變量更新的時候都將版本號+1，每次更新的時候要求版本>=當前版本(AtomicStampedReference)

1. 循環時間長開銷大，CAS操做若是長時間執行不成功，會致使其一直自旋，cpu消耗大。
2. 只能保證一個共享變量的原子操做。

能夠把多個變量放在一個對象裏面進行CAS操做。

九、鎖優化

9.一、鎖升級

1. 偏向鎖的升級

線程A獲取鎖對象時，會在java對象頭和棧幀中記錄偏向的線程A的id，線程A再次獲取鎖時，只須要比較java頭中的線程id與當前Id是否相等，若是一致則無需經過cas加鎖解鎖。若是不一致，說明有線程B來獲取鎖，那麼要判斷java頭中偏向鎖的線程是否存活，若是沒有存活，鎖對象被置爲無鎖狀態，線程B可將鎖對象置爲B的偏向鎖。若是存活，則查看A是否還須要繼續持有對當前鎖，若是不須要持有，則將鎖置爲無鎖狀態，偏向新的線程，若是還繼續持有鎖對象，則暫停A線程，撤銷偏向鎖，將鎖升級爲輕量級鎖。

1. 輕量級鎖的升級

線程A獲取輕量級鎖時會把鎖的對象頭複製到本身的線程棧針中，而後經過cas把對象頭中的內容替換爲A所記錄的地址。此時線程B也想獲取鎖，發現A已經獲取鎖，那麼線程B就自旋等待。等到自旋次數到了或者線程A正在執行，線程B自旋等待，此時來了線程C來競爭鎖對象，這個時候輕量級鎖就會膨脹爲重量級鎖。重量級鎖會把未得到到鎖對象的線程所有變爲阻塞狀態該，防止cpu空轉。

9.二、鎖粗化

將多個連續的加鎖，解鎖操做鏈接在一塊兒，擴展成爲一個範圍更大的鎖，避免頻繁的加解鎖操做。

9.三、鎖消除

經過逃逸分析，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，經過這種方式消除沒有必要的鎖。

十、synchronized底層實現

• synchronized經過Monitor實現同步，Monitor依賴於底層操做系統互斥鎖來實現線程同步。
• java對象頭是由markword(標記字段)和klass point(類型指針)組成。markword存儲對象的hashcode，分代年齡和鎖標誌位信息。Klass point 指向對象元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定對象是哪一個類的實例。
• synchronized修飾同步代碼塊，是使用monitorenter和monitorexit來控制的，經過java對象頭中的鎖計數器。
• 修飾方法時會將方法標識爲ACCSYNCHRONIZE,JVM經過這個標誌來判斷方法是否是同步方法。

十一、synchronized與ReentrantLock的區別

1. 二者都是悲觀鎖，可重入鎖。
2. ReentrantLock 可中斷，能夠實現公平鎖，能夠綁定多個條件。
3. ReentrantLock須要顯示的調用鎖和釋放鎖，synchronized屬於java關鍵字，不須要顯式的釋放。

十二、volatile關鍵字

1. 保證變量內存可見。
2. 禁止指令重排序。

volatile和synchronized的區別：

• volatile不會阻塞，synchronized會阻塞。
• volatile保證數據的內存可見性但不能保證原子性，synchronized二者都能保證。
• volatile主要解決變量在線程之間的可見性，而synchronized主要解決多線程訪問資源的同步性。

1三、Atomic原子類實現

使用cas操做 + volatile + native方法保證同步。

1四、AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)內部維護的是一個FIFO的雙向同步隊列，若是當前線程競爭鎖失敗，AQS會把當前線程以及等待狀態信息構形成一個Node加入到同步隊列中，同時在阻塞該線程。當獲取鎖的線程釋放鎖之後，會從隊列中喚醒一個阻塞的節點線程。使用內部的一個state來控制是否獲取鎖，當state=0時表示無鎖狀態，state>0時表示已經有線程獲取了鎖。

1五、AQS的組件

1. semaphore 可指定多個線程同時訪問某個共享資源。
2. countDownLatch 一個線程A等待其餘線程執行完成以後才繼續執行。
3. cyclicBarrier 一組線程等待至某個狀態以後同時執行。

countDownLatch和CyclicBarrier的區別

1. countDownLatch是一個線程等一組線程執行完成以後才執行， cyclicBarrier是一組線程互相等待至某個狀態以後，同時執行。
2. countDownLatch不能複用，cyclicBarrier能夠重用。

1六、鎖降級

鎖降級是指將寫鎖降級爲讀鎖，這個過程就是當前線程已經獲取到寫鎖的時候，再獲取到讀鎖，隨後釋放寫鎖的過程，這麼作的目的爲的就是保證數據的可見性。

1七、逃逸分析

1. 逃逸分析就是分析對象的動態做用域，當一個對象在方法中被定義後，他可能被外部方法所引用，做爲參數傳遞到其餘方法中，成爲方法逃逸，賦值給類變量或者能夠被其餘線程訪問的實例變量成爲線程逃逸。
2. 使用逃逸分析，編譯器能夠對代碼作優化。好比：同步省略(鎖消除)，將堆分配轉化爲棧分配，標量替換。
3. 使用逃逸分析的缺點，無法保證逃逸分析的性能必定高於其餘性能。極端的話通過逃逸分析後，全部的對象都逃逸了，那麼逃逸分析的過程就浪費了。