并发编程相关面试题四

Posted 2021-03-03 zzzzn

一、Java开发中用过哪些锁

1、乐观锁

　　乐观锁顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS(Compare and Swap 比较并交换)实现的

　　乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升；　　

　　乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

2、悲观锁

　　悲观锁总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁。

　　悲观锁适合写操作非常多的场景；

　　悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁；

3、独享锁

　　独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。

　　独享锁通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享锁。

　　对于Synchronized而言，当然是独享锁。

4、共享锁

　　共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

　　读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。

　　共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现共享锁。

5、互斥锁

　　互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock。

6、读写锁

　　读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock。

7、可重入锁　　　　

　　重入锁也叫作递归锁，指的是同一个线程外层函数获取到一把锁后，内层函数同样具有这把锁的控制权限；
　　synchronized和ReentrantLock就是重入锁对应的实现；
　　synchronized重量级的锁 ；
　　ReentrantLock轻量级的锁；

8、公平锁

　　公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。

　　对于Java ReetrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

9、非公平锁

　　非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。　　

　　对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

10、分段锁

　　分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

　　我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7和JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。

　　当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在哪一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。

　　但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。

　　分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

11、偏向锁　　

　　偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。

12、轻量级锁

　　轻量级锁是指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，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。

13、重量级锁

　　重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让他申请的线程进入阻塞，性能降低。

14、自旋锁

　　在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。

二、synchronized关键字理解

　　使用了synchronized关键字可以轻松地解决多线程共享数据同步问题。

　　synchronized关键字可以作为函数的修饰符，也可作为函数内的语句，也就是平时说的同步方法和同步语句块。如果再细的分类，synchronized可作用于instance变量、object reference（对象引用）、static函数和class literals(类名称字面常量)身上。 

　　synchronized取得的锁都是对象；每个对象只有一个锁（lock）与之相关联；实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

　　synchronized的4种用法：

　　　　1. 方法声明时使用,线程获得的是成员锁；

　　　　2. 对某一代码块使用,synchronized后跟括号,括号里是变量,线程获得的是成员锁；

　　　　3. synchronized后面括号里是一对象,此时,线程获得的是对象锁；

　　　　4. synchronized后面括号里是类,此时,线程获得的是对象锁；

三、CAS无锁机制

　　CAS：Compare and Swap，即比较交换；

　　jdk1.5增加了并发包java.util.concurrent.*，其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。jdk1.5之前java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是悲观锁；

　　本身无锁，采用乐观锁的思想，在数据操作时对比数据是否一致，如果一致代表之前没有线程操作该数据，那么就会更新数据，如果不一致代表有县城更新则重试；

　　CAS当中包含三个参数CAS(V,E,N)，V标识要更新的变量，E标识预期值，N标识新值　　

　　运行过程：

　　　　1.线程访问时，先会将主内存中的数据同步到线程的工作内存当中；

　　　　2.假设线程A和线程B都有对数据进行更改，那么假如线程A先获取到执行权限；

　　　　3.线程A先会对比工作内存当中的数据和主内存当中的数据是否一致，如果一致（V==E）则进行更新，不一致则刷新数据，重新循环判断；

　　　　4.这时更新完毕后，线程B也要进行数据更新，主内存数据和工作内存数据做对比，如果一致则进行更新，不一致则将主内存数据重新更新到工作内存，然后循环再次对比两个内存中的数据，直到一致为止；　

　　CAS无锁机制存在一个问题

　　　　ABA问题，如果将原来A的值改为了B，然后又改回了A，虽然最终结果没有发生改变，但是在过程中是对该数据进行了修改操作

　　　　解决该问题：在Java中并发包下有一个原子类：AtomicStampedReference，在该类当中通过版本控制判断值到底是否被修改

　　　　解释：如果对值进行了更改则版本号+1，那么在CAS当中不仅仅对比变量的值，还要对比版本号，如果值和版本号都相等则代表没有被修改，如果有一方不相等代表进行过更改

　　　　那么就从主内存中重新刷新数据到工作内存然后循环对比，直到成功为止~

四、AQS

　　AQS:全称AbstractQueueSynchronizer，抽象队列同步器，这个类在java.util.concurrent.locks包下

　　它是一个底层同步工具类，比如CountDownLatch,Sammphore，ReentrantLock,ReentrantReadWriteLock等等都是基于AQS

　　　　底层三个内容：

　　　　　　1.state（用于计数器）

　　　　　　 2.线程标记（哪一个线程加的锁）

　　　　　　 3.阻塞队列（用于存放阻塞线程）

　　AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，如下图所示。AQS为一系列同步器依赖于一个单独的原子变量（state）的同步器提供了一个非常有用的基础。子类们必须定义改变state变量的protected方法，这些方法定义了state是如何被获取或释放的。

　　　　

　　J.U.C是基于AQS实现的，AQS是一个同步器，设计模式是模板模式。

　　核心数据结构：双向链表 + state(锁状态)

　　底层操作：CAS

　　　　

五、ReentrantLock底层实现

　　ReentrantLock是基于AQS的，AQS是Java并发包中众多同步组件的构建基础，它通过一个int类型的状态变量state和一个FIFO队列来完成共享资源的获取，线程的排队等待等。AQS是个底层框架，采用模板方法模式，它定义了通用的较为复杂的逻辑骨架，比如线程的排队，阻塞，唤醒等，将这些复杂但实质通用的部分抽取出来，这些都是需要构建同步组件的使用者无需关心的，使用者仅需重写一些简单的指定的方法即可（其实就是对于共享变量state的一些简单的获取释放的操作）。

　　无参构造器（默认为非公平锁）　

public ReentrantLock() {
       sync = new NonfairSync();//默认是非公平的
}

　　synchronized是ReentrantLock内部实现的一个同步组件，它是Reentrantlock的一个静态内部类，继承于AQS；

　　带布尔值的构造器（是否公平）

public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();//fair为true，公平锁；反之，非公平锁
}

　　此处可以指定是否采用公平锁，FailSync和NonFailSync亦为Reentrantlock的静态内部类，都继承于synchronized；

六、ReentrantLock和synchronized之间的区别

• synchronized 竞争锁时会一直等待；ReentrantLock 可以尝试获取锁，并得到获取结果
• synchronized 获取锁无法设置超时；ReentrantLock 可以设置获取锁的超时时间
• synchronized 无法实现公平锁；ReentrantLock 可以满足公平锁，即先等待先获取到锁
• synchronized 控制等待和唤醒需要结合加锁对象的 wait() 和 notify()、notifyAll()；ReentrantLock 控制等待和唤醒需要结合 Condition 的 await() 和 signal()、signalAll() 方法
• synchronized 是 JVM 层面实现的；ReentrantLock 是 JDK 代码层面实现
• synchronized 在加锁代码块执行完或者出现异常，自动释放锁；ReentrantLock 不会自动释放锁，需要在 finally{} 代码块显示释放

七、ReentrantReadWriteLock（读写锁）

　　相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。

　　假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。

　　Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。

package com.zn.lockTest;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLock {
    //创建一个集合
    static Map<String,String> map=new HashMap<String,String>();
    //创建一个读写锁
    static ReentrantReadWriteLock lock=new ReentrantReadWriteLock();
    //获取读锁
    static Lock readLock=lock.readLock();
    //获取写锁
    static Lock writeLock=lock.writeLock();
    //写操作
    public Object put(String key,String value){
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println("Write正在执行写操作~");
            Thread.sleep(100);
            String put = map.put(key, value);
            System.out.println("Write写操作执行完毕~");
            return put;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
        return null;

    }

    //写操作
    public Object get(String key){
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println("Read正在执行读操作~");
            Thread.sleep(100);
            String value = map.get(key);
            System.out.println("Read读操作执行完毕~");
            return value;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            readLock.unlock();
        }
        return null;

    }

    public static void main(String[] args) {
        ReadWriteLock lock=new ReadWriteLock();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(()->{
                try {
                    //写操作
                    lock.put(finalI +"","value"+finalI);
                    //读操作
                    System.out.println(lock.get(finalI+""));
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }

    }
}

控制台效果：

　　

八、BlockingQueue阻塞队列的实现方式

　　阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列，这两个附加的操作是：

　　　　在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空；

　　　　当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用；

　　阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器拿元素；

　　在java中，BlockingQueue的接口位于java.util.concurrent包中，阻塞队列是线程安全的；

　　在新增呢的concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题，通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利；

　　常用的队列主要由以下两种：

　　　　先进先出（FIFO）：先插入的队列的元素也最先出队列，类似于排队的功能，从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性；

　　　　后进后出（LIFO）：后插入队列的元素最先出队列，这种队列优先处理最近发生的事件；

1.ArrayBlockingQueue

　　ArrayBlockingQueue是一个有边界的阻塞队列，它的内部实现是一个数组，有边界意思就是它的容量是有限的，我们必须在其初始化的时候执行它的容量大小，容量大小一旦执行就不可改变；

　　ArrayBlockingQueue是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移除的对象是头部；

package com.zn.queueTest;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ArrayBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayBlockingQueue<String> arrays=new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        arrays.add("张三");
        arrays.add("李四");
        arrays.add("王五");

        //添加阻塞队列
        arrays.offer("赵六",1, TimeUnit.SECONDS);

        //poll方法相当于消费了队列中的数据，队列的数据就会删除
        System.out.println(arrays.poll());
        System.out.println(arrays.poll());
        System.out.println(arrays.poll());
        System.out.println(arrays.poll());
    }
}

控制台效果：

　　

如果先出队一条数据，此时被阻塞的数据就可以添加进来：

package com.zn.queueTest;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ArrayBlockingQueueTest {
    //出队一条数据
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ArrayBlockingQueue<String> arrays=new ArrayBlockingQueue<String>(3);
        arrays.add("张三");
        arrays.add("李四");
        arrays.add("王五");
        //出队一条数据
        System.out.println(arrays.poll());

        //添加阻塞队列
        arrays.offer("赵六",1, TimeUnit.SECONDS);

        //poll方法相当于消费了队列中的数据，队列的数据就会删除
        System.out.println(arrays.poll());
        System.out.println(arrays.poll());
        System.out.println(arrays.poll());
    }
}

控制台效果：

　　

2.LinkedBlockingQueue

　　LinkedBlockingQueue阻塞队列大小的配置时可选的，如果我们初始化时指定大小，它就是有边界的，如果不指定，它就是无边界的。说是无边界，其实是采用了默认大小为Integer.MAX_VALUE容量，它的内部是一个链表；

　　和ArrayBlockingQueue一样，LinkedBlockingQueue也是以先进先出的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移除的对象是头部；

package com.zn.queueTest;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class LinkedBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LinkedBlockingQueue linkedBlockingQueue=new LinkedBlockingQueue(3);
        linkedBlockingQueue.add("A");
        linkedBlockingQueue.add("B");
        linkedBlockingQueue.add("C");
        System.out.println(linkedBlockingQueue.poll());
        System.out.println(linkedBlockingQueue.size());
    }
}

控制台效果：

　　

3.PriorityBlockingQueue

　　PriorityBlockingQueue是一个没有边界的队列，它的排序规则和java.util.PriorityQueue一样。需要注意，PriorityBlockingQueue中国允许插入null对象；

　　所有插入PriorityBlockingQueue的对象必须实现java.lang.Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对这个接口的实现来定义的；

　　另外，我们可以从PriorityBlockingQueue获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级顺序进行迭代；

package com.zn.queueTest;

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class PriorityBlockingQueueTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PriorityBlockingQueue<String> priorityBlockingQueue=new PriorityBlockingQueue<String>(3);
        priorityBlockingQueue.add("AA");
        priorityBlockingQueue.add("BB");
        priorityBlockingQueue.add("CC");
        System.out.println(priorityBlockingQueue.poll());
        System.out.println(priorityBlockingQueue.size());
    }
}

控制台效果：

 　　

4.SynchronousQueue

　　SynchronousQueue队列内部仅容纳一个元素，当一个线程插入一个元素后会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费；

九、ConcurrentLinkedQueue

　　ConcurrentLinkedQueue：是一个适用于高并发场景下的队列，通过无锁的方式，实现了高并发状态下的高性能，通常ConcurrentLinkedQueue性能好于BlockingQueue，它是一个基于链接节点的无界线程安全队列。该队列的元素遵循先进先出的原则。头是最先加入的，尾是最近加入的，该队列不允许null元素；

　　ConcurrentLinkedQueue重要方法：

　　　　add()和offer()都是加入元素的方法（在ConcurrentLinkedQueue中这两个方法没有任务区别）；

　　　　poll()和peek()都是取头元素节点，区别在于前者会删除元素，后者不会；

package com.zn.queueTest;

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;

public class ConcurrentLinkedQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        //准备队列
        ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
        //存放数据
        queue.offer("张三");
        queue.offer("李四");
        queue.offer("王五");

        //获取队列中数据个数
        System.out.println("队列中当前有："+queue.size()+"个数据~");
        //获取队列中头数据  poll()方法相当于消费了队列中的数据，队列数据会随之删除
        System.out.println("获取队列中的数据："+queue.poll());
        System.out.println("队列中当前有："+queue.size()+"个数据~");
        //获取队列中数据，但是不会删除
        System.out.println("获取队列中的数据："+queue.peek());
        System.out.println("获取队列中的数据："+queue.peek());
        System.out.println("队列中当前有："+queue.size()+"个数据~");

    }
}

控制台效果：