Java面試專題-多線程(3)-原子操做

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開篇介紹

你們好，公衆號【Java極客思惟】近期會整理一些Java高頻面試題分享給小夥伴，也但願看到的小夥伴在找工做過程當中可以用獲得！本章節主要針對Java一些多線程高頻面試題進行分享。

 

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Q1：

什麼是CAS算法？

CAS（compare and swap）的縮寫。

        Java利用CPU的CAS指令，同時藉助JNI來完成對Java的非阻塞算法，實現原子操做（其實就是自旋操做，不斷循環，直到成功）。其它原子操做都是利用相似的特性來完成的。

CAS有三個關鍵操做值：內存值V、 預期值A 、 要修改的值B 。

當且僅當 預期值A 和 內存值V 一致時，纔會將 內存值V 內容修改成 B，不然將什麼都不作。

 

CAS的缺點也很明顯：

在併發量比較高的狀況下，若是許多線程反覆嘗試更新某一個變量，可是卻又一直更新不成功，一直在循環（自旋），那麼會給CPU帶來很大的壓力。

CAS機制所保證的只是一個變量的原子性操做，而不能保證整個代碼塊的原子性。好比須要保證3個變量共同進行原子性的更新，這樣就不得不使用synchronized關鍵字進行同步操做了。

好比線程A端了一杯水放在桌子上，可是被其餘事調度走了，而且釋放了鎖，此時線程B通過，看到桌子上的水，端起來喝了半杯，而後又給打滿一杯水放在桌子上。此時雖然仍是一杯水，可是杯中的水再也不是原來的那杯水了，而線程A也忙完了，回頭來看到桌子上仍是一杯水，可是不知道水已經被替換過了。這就是典型的ABA問題，還有不少相似的場景。這種狀況對依賴過程值的情景的運算結果影響很大。這是CAS機制最大的問題所在。

• CPU開銷過大

• 不能保證代碼塊的原子性

• ABA問題

 

Q2：

什麼是AQS？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

        AQS是JDK下提供的一套用於實現基於FIFO等待隊列的阻塞鎖和相關的同步器的一個同步框架。這個抽象類被設計做爲一些可用原子int值來表示狀態的同步器的基類。

        若是有看過相似CountDownLatch類的源碼實現，會發現其內部有一個繼承了AbstractQueuedSynchronizer的內部類Sync。可見CountDownLatch是基於AQS框架來實現的一個同步器。相似的同步器在JUC下還有很多（好比Semaphore）。

        AQS的核心思想是基於volatile int state 這樣的volatile變量，配合Unsafe工具對其原子性的操做來實現對當前鎖狀態進行修改。同步器內部依賴一個FIFO的雙向隊列來完成資源獲取線程的排隊工做。

 

AQS中的數據結構 - 節點和同步隊列

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節點加入到同步隊列

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首節點變化

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Q3：

volatile關鍵字有什麼用？

Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會當即被更新到主內存中，當有其餘線程須要讀取時，它會去內存中讀取新值。主要的原理是使用了內存指令。

• LoadLoad重排序：一個處理器先執行一個L1讀操做，再執行一個L2讀操做；可是另一個處理器看到的是先L2再L1；

• StoreStore重排序：一個處理器先執行一個W1寫操做，再執行一個W2寫操做；可是另一個處理器看到的是先W2再W1；

• LoadStore重排序：一個處理器先執行一個L1讀操做，再執行一個W2寫操做；可是另一個處理器看到的是先W2再L1；

• StoreLoad重排序：一個處理器先執行一個W1寫操做，再執行一個L2讀操做；可是另一個處理器看到的是先L2再W1。

 

Q4：

描述一下volatile關鍵字對原子性、可見性以及有序性是如何保證的？

在volatile變量寫操做的前面會加入一個Release屏障，而後再以後會加入一個Store屏障，這樣就能夠保證volatile寫跟Release屏障以前的任何讀寫操做都不會指令重排，而後Store屏障保證了，寫完數據以後，立馬會執行flush處理器緩存的操做。

 

在volatile變量讀操做的前面會加入一個Load屏障，這樣就能夠保證對這個變量的讀取時，若是被別的處理器修改過了，必須得從其餘處理器的高速緩存（或者主內存）中加載到本身本地高速緩存裏，保證讀到的是最新數據；在以後會加入一個Acquire屏障，禁止volatile讀操做以後的任何讀寫操做會跟volatile讀指令重排序。

 

與volatile讀寫內存屏障對比一下，是相似的意思。

Acquire屏障 其實就是 LoadLoad屏障 + LoadStore屏障；

Release屏障 其實就是 StoreLoad屏障 + StoreStore屏障。

 

Q5：

簡述一下synchronized關鍵字的原理是什麼？

        synchronized是由JVM實現的一種實現互斥同步的方式，查看被synchronized關鍵字修飾過的程序塊編譯後的字節碼會發現：被synchronized修飾過的程序塊，在編譯先後被編譯器生成了monitorenter 和 monitorexit 兩個字節碼指令。

        在虛擬機執行到 monitorenter 指令時，首先會嘗試獲取對象的鎖：若是這個對象沒有鎖定，或者當前線程已經擁有了這個對象的鎖，把鎖的計數器 + 1；

        當執行 monitorexit 指令時，將鎖計數器 - 1；當計數器爲0時，鎖就被釋放了。若是獲取對象失敗了，那當前線程就要阻塞等待，知道對象鎖被另一個線程釋放爲止。

 

Q6：

CountDownLatch 和 CyclicBarrier的區別？

• CountDownLatch的計數器只能使用一次。而CyclicBarrierd的計數器可使用reset()方法進行重置。因此CyclicBarrier能處理更爲複雜的業務場景。好比若是計算髮生錯誤，能夠重置計數器，並讓線程們從新計算一次。

• CyclicBarrier還提供其餘有用的方法，好比getNumberWaiting()方法能夠得到CyclicBarrier阻塞的線程數量。isBroken() 方法能夠用來知道阻塞的線程是否被中斷。

• CountDownLatch會阻塞主線程，CyclicBarrier不會阻塞主線程，只會阻塞子線程。

• CountDownLatch依靠一個外力（計數器、發令槍）來控制線程，而CyclicBarrier是至關於用自己來控制線程。舉個例子：

  • CountDownLatch：有一個裝滿寶石的房間，門外有7把鎖，而後有7我的要進入房間組成隊伍A，還有另外7我的手裏拿着鑰匙組成隊伍B，那麼首先A組的7我的必須等到B組的7我的把鑰匙送過來，而後把門外的7把鎖分別打開以後，這A組的7我的纔可以進入房間拿到寶石。

  • CyclicBarrier：有一個裝滿寶石的房間，門外也有7把鎖，而後7我的必須到另外的一個房間，各自完成一個任務以後，這7我的纔可以各自得到一把鎖，完成任務以後，這7我的就可以打開那7把鎖，進房間拿到寶石。

 

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