带你整理面试过程中关于锁的相关知识点下

Posted 2022-05-06 南淮北安

文章目录

• • 一、Semaphore
  • 二、AtomicInteger
  • 三、可重入锁
  • 四、公平锁与非公平锁
  • 五、读写锁：ReadWriteLock
  • 六、共享锁和独占锁
  • 七、重量级锁和轻量级锁
  • 八、偏向锁
  • 九、分段锁
  • 十、同步锁与死锁
  • 十一、如何进行锁优化
  • 十二、相关面试题

已经学习了：一篇文章带你完整复习 Java 中锁的相关知识 - 上

这里继续把相关知识补充完整，后续还会继续补充。

一、Semaphore

详细内容学习可参考：一篇文章带你深入了解多线程中的信号量 Semaphore

Semaphore是一种基于计数的信号量，在定义信号量对象时可以设定一个阈值，基于该阈值，多个线程竞争获取许可信号，线程竞争到许可信号后开始执行具体的业务逻辑，业务逻辑在执行完成后释放该许可信号。在许可信号的竞争队列超过阈值后，新加入的申请许可信号的线程将被阻塞，直到有其他许可信号被释放。

Semaphore的基本用法如下：

Semaphore对锁的申请和释放和ReentrantLock类似，通过acquire方法和release方法来获取和释放许可信号资源。

Semaphone.acquire方法默认和ReentrantLock. lockInterruptibly方法的效果一样，为可响应中断锁，也就是说在等待许可信号资源的过程中可以被Thread.interrupt方法中断而取消对许可信号的申请。

此外，Semaphore也实现了可轮询的锁请求、定时锁的功能，以及公平锁与非公平锁的机制。对公平与非公平锁的定义在构造函数中设定。

Semaphore的锁释放操作也需要手动执行，因此，为了避免线程因执行异常而无法正常释放锁，释放锁的操作必须在finally代码块中完成。

Semaphore也可以用于实现一些对象池、资源池的构建，比如静态全局对象池、数据库连接池等。此外，我们也可以创建计数为1的Semaphore，将其作为一种互斥锁的机制（也叫二元信号量，表示两种互斥状态），同一时刻只能有一个线程获取该锁。

二、AtomicInteger

原子性的相关内容学习可参考：原子性内容学习

我们知道，在多线程程序中，诸如++i或i++等运算不具有原子性，因此不是安全的线程操作。我们可以通过synchronized或ReentrantLock将该操作变成一个原子操作，但是synchronized和ReentrantLock均属于重量级锁。因此JVM为此类原子操作提供了一些原子操作同步类，使得同步操作（线程安全操作）更加方便、高效，它便是AtomicInteger。

AtomicInteger为提供原子操作的Integer的类，常见的原子操作类还有AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，它们的实现原理相同，区别在于运算对象的类型不同。还可以通过AtomicReference<V>将一个对象的所有操作都转化成原子操作。AtomicInteger的性能通常是synchronized和ReentrantLock的好几倍。具体用法如下：

三、可重入锁

可重入锁也叫作递归锁，指在同一线程中，在外层函数获取到该锁之后，内层的递归函数仍然可以继续获取该锁。在Java环境下，ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

四、公平锁与非公平锁

公平锁（Fair Lock）指在分配锁前检查是否有线程在排队等待获取该锁，优先将锁分配给排队时间最长的线程。

非公平锁（Nonfair Lock）指在分配锁时不考虑线程排队等待的情况，直接尝试获取锁，在获取不到锁时再排到队尾等待。

因为公平锁需要在多核的情况下维护一个锁线程等待队列，基于该队列进行锁的分配，因此效率比非公平锁低很多。

Java中的synchronized是非公平锁，ReentrantLock默认的lock方法采用的是非公平锁

五、读写锁：ReadWriteLock

读写锁详细内容学习可参考：一篇文章带你深入了解多线程中的读写锁

在Java中通过Lock接口及对象可以方便地为对象加锁和释放锁，但是这种锁不区分读写，叫作普通锁。
为了提高性能，Java提供了读写锁。读写锁分为读锁和写锁两种，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥。在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，在没有写锁的情况下，读是无阻塞的。

如果系统要求共享数据可以同时支持很多线程并发读，但不能支持很多线程并发写，那么使用读锁能很大程度地提高效率；如果系统要求共享数据在同一时刻只能有一个线程在写，且在写的过程中不能读取该共享数据，则需要使用写锁。

一般做法是分别定义一个读锁和一个写锁，在读取共享数据时使用读锁，在使用完成后释放读锁，在写共享数据时使用写锁，在使用完成后释放写锁。在Java中，通过读写锁的接口java.util.concurrent.locks.ReadWriteLoc的实现类ReentrantReadWriteLock来完成对读写锁的定义和使用。具体用法如下：

六、共享锁和独占锁

独占锁：也叫互斥锁，每次只允许一个线程持有该锁，ReentrantLock为独占锁的实现。

共享锁：允许多个线程同时获取该锁，并发访问共享资源。ReentrantReadWriteLock中的读锁为共享锁的实现。

ReentrantReadWriteLock的加锁和解锁操作最终都调用内部类Sync提供的方法。Sync对象通过继承AQS（Abstract QueuedSynchronizer）进行实现。AQS的内部类Node定义了两个常量SHARED和EXCLUSIVE，分别标识AQS队列中等待线程的锁获取模式。

独占锁是一种悲观的加锁策略，同一时刻只允许一个读线程读取锁资源，限制了读操作的并发性；
因为并发读线程并不会影响数据的一致性，因此共享锁采用了乐观的加锁策略，允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源

七、重量级锁和轻量级锁

重量级锁是基于操作系统的互斥量（Mutex Lock）而实现的锁，会导致进程在用户态与内核态之间切换，相对开销较大

synchronized在内部基于监视器锁（Monitor）实现，监视器锁基于底层的操作系统的Mutex Lock实现，因此synchronized属于重量级锁。重量级锁需要在用户态和核心态之间做转换，所以synchronized的运行效率不高

JDK在1.6版本以后，为了减少获取锁和释放锁所带来的性能消耗及提高性能，引入了轻量级锁和偏向锁。

轻量级锁是相对于重量级锁而言的：当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁

如果偏向锁失败，那么虚拟机并不会立即挂起线程，它还会使用一种称为轻量级锁的优化手段。轻量级锁的操作也很方便，它只是简单地将对象头部作为指针指向持有锁的线程堆栈的内部，来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获得轻量级锁成功，则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁加锁失败，则表示其他线程抢先争夺到了锁，那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。

轻量级锁的核心设计是在没有多线程竞争的前提下，减少重量级锁的使用以提高系统性能。

轻量级锁适用于线程交替执行同步代码块的情况（即互斥操作），如果同一时刻有多个线程访问同一个锁，则将会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

八、偏向锁

锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段。它的核心思想是：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁时，无须再做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作，从而提高了程序性能。因此，对于几乎没有锁竞争的场合，偏向锁有比较好的优化效果，因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合，其效果不佳。因为在竞争激烈的场合，最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。这样偏向模式会失效，因此还不如不启用偏向锁。

除了在多线程之间存在竞争获取锁的情况，还会经常出现同一个锁被同一个线程多次获取的情况。偏向锁用于在某个线程获取某个锁之后，消除这个线程锁重入的开销，看起来似乎是这个线程得到了该锁的偏向（偏袒）。

偏向锁的主要目的是在同一个线程多次获取某个锁的情况下尽量减少轻量级锁的执行路径，因为轻量级锁的获取及释放需要多次CAS（Compare and Swap）原子操作，而偏向锁只需要在切换ThreadID时执行一次CAS原子操作，因此可以提高锁的运行效率。

在出现多线程竞争锁的情况时，JVM会自动撤销偏向锁，因此偏向锁的撤销操作的耗时必须少于节省下来的CAS原子操作的耗时。

综上所述，轻量级锁用于提高线程交替执行同步块时的性能，偏向锁则在某个线程交替执行同步块时进一步提高性能。

锁的状态总共有4种：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁竞争越来越激烈，锁可能从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁，但在Java中锁只单向升级，不会降级

九、分段锁

分段锁并非一种实际的锁，而是一种思想，用于将数据分段并在每个分段上都单独加锁，把锁进一步细粒度化，以提高并发效率。ConcurrentHashMap在内部就是使用分段锁实现的

关于 ConcurrentHashMap 的有关内容学习可参考：ConcurrentHashMap

十、同步锁与死锁

在有多个线程同时被阻塞时，它们之间若相互等待对方释放锁资源，就会出现死锁。

为了避免出现死锁，可以为锁操作添加超时时间，在线程持有锁超时后自动释放该锁。

十一、如何进行锁优化

锁优化的相关内容可参考：锁优化

（1）减少锁持有的时间

减少锁持有的时间指只在有线程安全要求的程序上加锁来尽量减少同步代码块对锁的持有时间。

（2）减小锁粒度

减小锁粒度指将单个耗时较多的锁操作拆分为多个耗时较少的锁操作来增加锁的并行度，减少同一个锁上的竞争。在减少锁的竞争后，偏向锁、轻量级锁的使用率才会提高。减小锁粒度最典型的案例就是ConcurrentHashMap中的分段锁。

（3）锁分离

锁分离指根据不同的应用场景将锁的功能进行分离，以应对不同的变化，最常见的锁分离思想就是读写锁（ReadWriteLock），它根据锁的功能将锁分离成读锁和写锁，这样读读不互斥，读写互斥，写写互斥，既保证了线程的安全性，又提高了性能。
操作分离思想可以进一步延伸为只要操作互不影响，就可以进一步拆分，比如LinkedBlockingQueue从头部取出数据，并从尾部加入数据。

（4）锁粗化

锁粗化指为了保障性能，会要求尽可能将锁的操作细化以减少线程持有锁的时间，但是如果锁分得太细，将会导致系统频繁获取锁和释放锁，反而影响性能的提升。
在这种情况下，建议将关联性强的锁操作集中起来处理，以提高系统整体的效率。

（5）锁消除

在开发中经常会出现在不需要使用锁的情况下误用了锁操作而引起性能下降，这多数是因为程序编码不规范引起的。这时，我们需要检查并消除这些不必要的锁来提高系统的性能。
其实，锁消除主要是即时编译（JIT）通过逃逸分析之后，发现无线程安全问题，才会执行锁消除。
锁消除的相关内容可参考：锁消除相关内容

十二、相关面试题

1. java 里面有几种锁，特点优缺点，锁的升级降级（华为）