《吊打面試官》系列-樂觀鎖、悲觀鎖

時間  2020-09-14
標籤 吊打面試官 系列 樂觀 悲觀 欄目 快樂工作 简体版
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《吊打面試官》系列-樂觀鎖、悲觀鎖


收錄於話題面試

 

#多線程數據庫

6個安全

前言

關於線程安全一提到可能就是加鎖，在面試中也是面試官百問不厭的考察點，每每能看出面試者的基本功和是否對線程安全有本身的思考。多線程

那鎖自己是怎麼去實現的呢？又有哪些加鎖的方式呢？併發

我今天就簡單聊一下樂觀鎖和悲觀鎖，他們對應的實現 CAS ，Synchronized，ReentrantLockjvm

正文

一個120斤一身黑的小夥子走了進來，看到他微微發福的面容，看來是最近疫情伙食好運動少的結果，他難道就是今天的面試官渣渣丙？ide

image.png

等等難道是他？前幾天刷B站看到的不會是他吧！！！函數

image.png

是的我已經開始把面試系列作成視頻了，之後會有各類級別的面試，從大學生到阿里P7+的面試，還有阿里，拼多多，美團，字節風格的面試我也都約好人了，就差時間了，你們能夠去B站搜：三太子敖丙觀看工具

我也很少跟你BB了，咱們直接開始好很差，你能跟我聊一下CAS麼？this

CAS（Compare And Swap 比較而且替換）是樂觀鎖的一種實現方式，是一種輕量級鎖，JUC 中不少工具類的實現就是基於 CAS 的。

CAS 是怎麼實現線程安全的？

線程在讀取數據時不進行加鎖，在準備寫回數據時，先去查詢原值，操做的時候比較原值是否修改，若未被其餘線程修改則寫回，若已被修改，則從新執行讀取流程。

舉個栗子：如今一個線程要修改數據庫的name，修改前我會先去數據庫查name的值，發現name=「帥丙」，拿到值了，咱們準備修改爲name=「三歪」，在修改以前咱們判斷一下，原來的name是否是等於「帥丙」，若是被其餘線程修改就會發現name不等於「帥丙」，咱們就不進行操做，若是原來的值仍是帥丙，咱們就把name修改成「三歪」，至此，一個流程就結束了。

有點懵？理一下停下來理一下思路。

Tip：比較+更新 總體是一個原子操做，固然這個流程仍是有問題的，我下面會提到。

他是樂觀鎖的一種實現，就是說認爲數據老是不會被更改，我是樂觀的仔，每次我都以爲你不會渣我，差很少是這個意思。

image.png

你這個栗子不錯，他存在什麼問題呢？

有，固然是有問題的，我也恰好想提到。

大家看圖發現沒，要是結果一直就一直循環了，CUP開銷是個問題，還有ABA問題和只能保證一個共享變量原子操做的問題。

你能分別介紹一下麼？

好的，我先介紹一下ABA這個問題，直接口述可能有點抽象，我畫圖解釋一下：

image.png

看到問題所在沒，我說一下順序：

  1. 線程1讀取了數據A

  2. 線程2讀取了數據A

  3. 線程2經過CAS比較，發現值是A沒錯，能夠把數據A改爲數據B

  4. 線程3讀取了數據B

  5. 線程3經過CAS比較，發現數據是B沒錯，能夠把數據B改爲了數據A

  6. 線程1經過CAS比較，發現數據仍是A沒變，就寫成了本身要改的值

懂了麼，我儘量的幼兒園化了，在這個過程當中任何線程都沒作錯什麼，可是值被改變了，線程1卻沒有辦法發現，其實這樣的狀況出現對結果自己是沒有什麼影響的，可是咱們仍是要防範，怎麼防範我下面會提到。

循環時間長開銷大的問題：

是由於CAS操做長時間不成功的話，會致使一直自旋，至關於死循環了，CPU的壓力會很大。

只能保證一個共享變量的原子操做：

CAS操做單個共享變量的時候能夠保證原子的操做，多個變量就不行了，JDK 5以後 AtomicReference能夠用來保證對象之間的原子性，就能夠把多個對象放入CAS中操做。

我還記得你以前說在JUC包下的原子類也是經過這個實現的，能舉個栗子麼？

那我就拿AtomicInteger舉例，他的自增函數incrementAndGet（）就是這樣實現的，其中就有大量循環判斷的過程，直到符合條件才成功。

image.png

大概意思就是循環判斷給定偏移量是否等於內存中的偏移量，直到成功才退出，看到do while的循環沒。

樂觀鎖在項目開發中的實踐，有麼？

有的就好比咱們在不少訂單表，流水錶，爲了防止併發問題，就會加入CAS的校驗過程，保證了線程的安全，可是看場景使用，並非適用全部場景，他的優勢缺點都很明顯。

那開發過程當中ABA大家是怎麼保證的？

加標誌位，例如搞個自增的字段，操做一次就自增長一，或者搞個時間戳，比較時間戳的值。

舉個栗子：如今咱們去要求操做數據庫，根據CAS的原則咱們原本只須要查詢本來的值就行了，如今咱們一同查出他的標誌位版本字段vision。

以前不能防止ABA的正常修改：

update table set value = newValue where value = #{oldValue}
//oldValue就是咱們執行前查詢出來的值 

帶版本號能防止ABA的修改：

update table set value = newValue ，vision = vision + 1 where value = #{oldValue} and vision = #{vision} 
// 判斷原來的值和版本號是否匹配，中間有別的線程修改，值可能相等，可是版本號100%不同

除了版本號，像什麼時間戳，還有JUC工具包裏面也提供了這樣的類，想要擴展的小夥伴能夠去了解一下。

聊一下悲觀鎖？

悲觀鎖從宏觀的角度講就是，他是個渣男，你認爲他每次都會渣你，因此你每次都提防着他。

咱們先聊下JVM層面的synchronized：

synchronized加鎖，synchronized 是最經常使用的線程同步手段之一，上面提到的CAS是樂觀鎖的實現，synchronized就是悲觀鎖了。

它是如何保證同一時刻只有一個線程能夠進入臨界區呢？

synchronized，表明這個方法加鎖，至關於無論哪個線程（例如線程A），運行到這個方法時,都要檢查有沒有其它線程B（或者C、 D等）正在用這個方法(或者該類的其餘同步方法)，有的話要等正在使用synchronized方法的線程B（或者C 、D）運行完這個方法後再運行此線程A，沒有的話，鎖定調用者，而後直接運行。

我分別從他對對象、方法和代碼塊三方面加鎖，去介紹他怎麼保證線程安全的：

  • synchronized 對對象進行加鎖，在 JVM 中，對象在內存中分爲三塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance
    Data）和對齊填充（Padding）。

  • 對象頭：咱們以Hotspot虛擬機爲例，Hotspot的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。

    你能夠看到在對象頭中保存了鎖標誌位和指向 monitor 對象的起始地址，以下圖所示，右側就是對象對應的 Monitor 對象。

  • image.png

    當 Monitor 被某個線程持有後，就會處於鎖定狀態，如圖中的 Owner 部分，會指向持有 Monitor 對象的線程。

    另外 Monitor 中還有兩個隊列分別是EntryList和WaitList，主要是用來存放進入及等待獲取鎖的線程。

    若是線程進入，則獲得當前對象鎖，那麼別的線程在該類全部對象上的任何操做都不能進行。

    • Mark Word：默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標誌位信息。它會根據對象的狀態複用本身的存儲空間，也就是說在運行期間Mark Word裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。

    • Klass Point：對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例。

在對象級使用鎖一般是一種比較粗糙的方法，爲何要將整個對象都上鎖，而不容許其餘線程短暫地使用對象中其餘同步方法來訪問共享資源？

若是一個對象擁有多個資源，就不須要只爲了讓一個線程使用其中一部分資源，就將全部線程都鎖在外面。

因爲每一個對象都有鎖，能夠以下所示使用虛擬對象來上鎖：

   class FineGrainLock{
  　MyMemberClassx,y;
  　Object xlock = new Object(), ylock = newObject();
  　public void foo(){
  　    synchronized(xlock){
  　    //accessxhere
  　    　}
  　    //dosomethinghere-butdon'tusesharedresources
  　    　synchronized(ylock){
  　    　//accessyhere
  　    　}
  　}
      public void bar(){
  　    　synchronized(this){
  　       　//accessbothxandyhere
      　}
     　//dosomethinghere-butdon'tusesharedresources
      }
  }

  • synchronized 應用在方法上時，在字節碼中是經過方法的 ACC_SYNCHRONIZED 標誌來實現的。

    我反編譯了一小段代碼，咱們能夠看一下我加鎖了一個方法，在字節碼長啥樣，flags字段矚目：

    synchronized void test();
      descriptor: ()V
      flags: ACC_SYNCHRONIZED
      Code:
        stack=0, locals=1, args_size=1
           0: return
        LineNumberTable:
          line 7: 0
        LocalVariableTable:
          Start  Length  Slot  Name   Signature
              0       1     0  this   Ljvm/ClassCompile;

    反正其餘線程進這個方法就看看是否有這個標誌位，有就表明有別的仔擁有了他，你就別碰了。

  • synchronized 應用在同步塊上時，在字節碼中是經過 monitorenter 和 monitorexit 實現的。

    每一個對象都會與一個monitor相關聯，當某個monitor被擁有以後就會被鎖住，當線程執行到monitorenter指令時，就會去嘗試得到對應的monitor。

    步驟以下：

  1. 每一個monitor維護着一個記錄着擁有次數的計數器。未被擁有的monitor的該計數器爲0，當一個線程得到monitor（執行monitorenter）後，該計數器自增變爲 1 。

  • 當同一個線程再次得到該monitor的時候，計數器再次自增；

  • 當不一樣線程想要得到該monitor的時候，就會被阻塞。

當同一個線程釋放 monitor（執行monitorexit指令）的時候，計數器再自減。

當計數器爲0的時候，monitor將被釋放，其餘線程即可以得到monitor。

一樣看一下反編譯後的一段鎖定代碼塊的結果：

public void syncTask();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=3, locals=3, args_size=1
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter  //注意此處，進入同步方法
       4: aload_0
       5: dup
       6: getfield      #2             // Field i:I
       9: iconst_1
      10: iadd
      11: putfield      #2            // Field i:I
      14: aload_1
      15: monitorexit   //注意此處，退出同步方法
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit //注意此處，退出同步方法
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return
    Exception table:
    //省略其餘字節碼.......

小結：

同步方法和同步代碼塊底層都是經過monitor來實現同步的。

二者的區別：同步方式是經過方法中的access_flags中設置ACC_SYNCHRONIZED標誌來實現，同步代碼塊是經過monitorenter和monitorexit來實現。

咱們知道了每一個對象都與一個monitor相關聯，而monitor能夠被線程擁有或釋放。

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