Java面试03|并发及锁

Posted 2020-10-06

 

 

 

1、synchronized与Lock的区别

 

使用synchronized这个关键字实现的同步块有一些缺点： 

（1）锁只有一种类型 

（2）线程得到锁或者阻塞 

（3）Lock是在Java语言层面基于CAS自旋方式来实现锁的，在并发条件下，其性能要相对比synchronized好一些。 

为了解决如上的各种问题，后来又提出了一种更为复杂的锁 - 线程锁。线程锁可以在几个方面进行提升： 

（1）添加不同类型的锁，如读取锁和写入锁（主要实现类为ReentrantReadWriteLock类） 

（2）对锁的阻塞没有限制，即可以在一个方法中上锁，在另外一个方法中解锁。 

由于Semaphore不会将许可与特定的线程关联起来，因此在一个线程中获得的许可可以在另外一个线程中释放。

（3）如果线程得不到锁，比如锁由另外一个线程持有，就允许该线程后退或继续执行，或者做其他事情。如使用tryLock()与tryLock(long,TimeUnit)。当发现尝试加锁无法加上，可以先释放对其他对象已经成功添加的锁，过一会儿再尝试，这样可以一定程度上避免死锁。

 

（4）允许线程尝试取锁，并可以在超过等待时间后放弃。

 

ReentrantLock实现了Lock接口，并提供了与synchronized相同的互斥性和内存可见性。在获取/退出ReentrantLock时，有着与进入/退出同步代码块相同的内存语义。同时也提供可重入的加锁语义。

ReentrantLock相比synchronized增加了一些高级功能，主要有3项：

（1）等待可中断

（2）可实现公平锁（synchronized实现的是非公平锁）

（3）锁可以绑定多个条件（一个ReentrantLock可以同时绑定多个Condition对象

 

ReentrantLock获取锁定与三种方式：
a) lock(), 如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于休眠状态，直到获取锁 

b) tryLock(),如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false 

c) tryLock(long timeout,TimeUnit unit) 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false

d) lockInterruptibly:如果获取了锁定立即返回，如果没有获取锁定，当前线程处于休眠状态，直到或者锁定，或者当前线程被别的线程中断

 

 

 

2、Lock机制的实现

Lock的实现其内部有个AQS机制。AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是java中管理“锁”的抽象类，锁的许多公共方法都是在这个类中实现。AQS是独占锁(例如ReentrantLock)和共享锁(例如Semaphore)的公共父类。 

队列是AQS中“等待锁”的线程队列。在多线程中，为了保护竞争资源不被多个线程同时操作而起来错误，我们常常需要通过锁来保护这些资源。在独占锁中，竞争资源在一个时间点只能被一个线程锁访问；而其它线程则需要等待。队列就是管理这些“等待锁”的线程的队列。

队列是一个非阻塞的 FIFO 队列。也就是说往里面插入或移除一个节点的时候，在并发条件下不会阻塞，而是通过自旋锁和 CAS 保证节点插入和移除的原子性。

 

举个例子，如独占锁ReentrantLock。ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。ReentrantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。

（1）在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；

（2）“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

 

 

以非公平锁的实现为例，如下：

 

释放锁的实现过程如下：

 

参考文章：

（1）http://tech.meituan.com/distributed-system-mutually-exclusive-idempotence-cerberus-gtis.html

 

 

3、源码剖析AQS在几个同步工具类中的使用

详细查看这篇文章：

（1）http://ifeve.com/abstractqueuedsynchronizer-use/#more-18899

（2）CountdowLatch的实现原理：http://blog.csdn.net/yanyan19880509/article/details/52349056

 

 

 

工具类	工具类作用	工具类加锁方法	工具类释放锁方法	Sync覆盖/非覆盖的方法	state的作用及锁的类型	锁维护
Semaphore	控制同时访问某个特定资源的操作数量	acquire：每次请求一个许可都会导致计数器减少1，，一旦达到了0，新的许可请求线程将被挂起	release：每调用 添加一个许可，释放一个正在阻塞的获取者	覆盖： tryAcquireShared tryReleaseShared	表示初始化的许可数 共享锁	每一次请求acquire()一个许可都会导致计数器减少1，同样每次释放一个许可release()都会导致计数器增加1，一旦达到了0，新的许可请求线程将被挂起。
CountDownLatch	把一组线程全部关在外面，在某个状态时候放开。一种同步机制来保证一个或多个线程等待其他线程完成。	await：在计数器不为0时候阻塞调用线程，为0时候立即返回	countDown ：计数递减	tryAcquireShared tryReleaseShared	维护一个计数器 共享锁	初始化一个计数，每次调用countDown方法计数递减，在计数递减到0之前，调用await的线程都会阻塞
ReentrantLock	标准的互斥操作，也就是一次只能有一个线程持有锁	lock：如果没有线程使用则立即返回，并设置state为1；如果当前线程已经占有锁，则state加1；如果其他线程占有锁，则当前线程不可用，等待 tryLock：如果锁可用，则获取锁，并立即返回值 true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值 false	unlock：尝试释放锁，如果当前线程占有锁则count减一，如果count为0则释放锁。如果占有线程不是当前线程，则抛异常	覆盖： tryAcquire tryRelease   非覆盖： nonfairTryAcquire	state表示获得锁的线程 对锁的重入次数 排他锁	获取锁时，如果没有线程使用则立即返回，并设置state为1；如果当前线程已经占有锁，则state加1；如果其他线程占有锁，则当前线程不可用。释放锁时，在该方法中主要作用是state状态位减少release个，表示释放锁，如果更新后的state为0，表示当前线程释放锁，如果不为0，表示持有锁的当前线程重入数减少
ReentrantReadWriteLock	读写锁。允许多个读线程同时持有锁，但是只有一个写线程可以持有锁。写线程获取写入锁后可以再次获取读取锁，但是读线程获取读取锁后却不能获取写入锁	ReadLock#lock ：获取读锁 ReadLock#tryLock:尝试当前没有其他线程当前持有写锁时获取读锁 WriteLock#lock：获取写锁 WriteLock#tryLock：尝试当前没有其他线程持有写锁时，呼气写锁。	ReadLock#unlock：释放读锁 WriteLock#unlock：释放写锁	覆盖： acquireShared releaseShared tryAcquire tryRelease 非覆盖： tryReadLock tryWriteLock	高16位表示共享锁的数量， 低16位表示独占锁的重入次数 读锁：共享 写锁：排他	对于共享锁，state是计数器的概念。一个共享锁就相对于一次计数器操作，一次获取共享锁相当于计数器加1，释放一个共享锁就相当于计数器减1；排他锁维护类似于可重入锁。
FutureTask	封装一个执行任务交给其他线程去执行，开始执行后可以被取消，可以查看执行结果，如果执行结果未完成则阻塞。	V get()	run() set(V) cancel(boolean)	覆盖： tryAcquireShared tryReleaseShared 非覆盖： innerGet innerRun() innerSet innerIsCancelled	state状态位来存储执行状态RUNNING、RUN、CANCELLED 共享锁	获取执行结果的线程(可以有多个)一直阻塞，直到执行任务的线程执行完毕，或者执行任务被取消。