Java锁常见知识点

synchronized实现原理

•  synchronized同步代码块：synchronized关键字经过编译之后，会在同步代码块前后分别形成monitorerter和monitorexit字节码指令，在执行monitorenter指令的时候，首先尝试获取对象的锁，如果这么锁没有被锁定或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，锁的计数器就加1，在执行monitorexit指令时会将锁的计数器减1，当减为0的时候就释放锁。如果获取锁对象一直失败，那当前线程就阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放为止。
• synchronized同步方法：方法级的同步是隐式的，无需通过字节码指令来控制，JVM可以从方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时，调用指令会检查方法中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要求先持有monitor对象，然后才能执行方法，最后当方法执行完（无论正常完成还是非正常完成）时释放monitor对象。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他线程都无法再次获取同一个管程。

☞ Synchronized优化

Java6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了偏向锁、轻量级锁和自旋锁等概念。

ReentrantLock是如何实现可重入性的？

内部自定了同步器Sync，加锁的时候通过CAS算法，将线程对象放到一个双向链表中，每次获取锁的时候，看下当前维护的那个线程ID和当前请求的线程ID是否一样，一样就可重入了。

ReentrantLock如何避免死锁？ 

• 响应中断lockInterruptibly()
• 可轮询锁tryLock()
• 定时锁tryLock(long time)

tryLock, lock, lockInterruptibly的区别

1. tryLock能获得锁就返回true，不能就立即返回false
2. tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，可以增加时间限制，如果超过该时间段还没获得锁就返回false
3. lock能获得锁就返回true，不能的话就一直等待获得锁
4. lock和lockInterruptibly，如果两个线程分别执行这两个方法，但此时中断这两个线程，lock不会抛出异常，而lockInterruptibly会抛出异常。

CountDownLatch和CyclicBarrier的区别是什么

 CountDownLatch是等待其他线程执行到某一个点的时候，再继续执行逻辑（子线程不会被阻塞，会继续执行），只能使用一次。最常见的是join形式，主线程等待子线程执行完任务，在用主线程去获取结果的方式，内部是用计数器相减实现的，AQS的state承担了计数器的作用，初始化的时候，使用AQS赋值，主线程调用await()，被加入共享线程等待队列里面，子线程调用countDown的时候，使用自选的方式，减1，直到为0时触发唤醒。

CyclicBarrier回环屏障，主要是等待一组线程到同一个状态的时候放闸同时启动。CyclicBarrier还可以传递一个Runnable对象，可以到放闸的时候执行这个任务，CyclicBarrier是可循环的，当调用await的时候如果count变成了0则会充值状态。CyclicBarrier新增了一个字段parties，用来保存初始值，当count变为0的时候就重新赋值。还有一个不同点，CyclicBarrier不是基于AQS的，而是基于ReentrantLock实现的，存放的等待队列使用了条件变量的方式。

synchronized与ReentrantLock的区别

• 都是可重入锁：ReentrantLock是显式获取和释放锁，synchronized是隐式的
• ReentrantLock可以直到有没有成功获取锁，可以定义读写锁，是api级别，synchronized是JVM级别
• ReentrantLock可以定义公平锁，Lock是接口，synchronized是Java关键字

什么是信号量Semaphore

信号量是一种固定资源的限制的一种并发工具包，基于AQS实现，在构造的时候会设置一个值，代表着资源数量。信号量主要是应用于多个共享资源的互斥使用，以及用于并发线程数的控制。信号量也分公平和非公平的情况，基本方式和ReentrantLock差不多，在请求资源调用task时，会用自旋的方式减1，如果成功，则获取成功了，如果失败，导致资源数变为了0，就会加入队列里面等待；调用release的时候会加1，补充资源，并唤醒等待队列。

Samaphore应用

• acquire(), release()可用于对象池、资源池的构建，比如静态全局对象池，数据库连接池
• 可创建计数为1的Samaphore，作为互斥锁（二元信号量）

可重入锁概念

1. 可重入锁是指同一个线程可以多次获取同一把锁，不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞
2. ReentrantLock和synchronized都是可重入锁
3. 可重入锁的一个优点是可以一定程度避免死锁 

ReentranLock原理

☞ CAS+AQS队列来实现

1. 先通过CAS尝试获取锁，如果此时已经有线程占据了锁，那就加入AQS队列并且被挂起
2. 当锁被释放之后，排在队首的线程会被唤醒CAS再次尝试获取锁
3. 如果是非公平锁，同时还有一个线程进来尝试获取可能会让这个线程抢到锁
4. 如果是公平锁，新加的线程会排到队尾，由队首的线程获取到锁

AQS原理

Node内部类构成一个双向链表结构的同步队列，通过控制state (volatile的int类型)状态来判断锁的状态.（1）对于非可重入锁状态不是0则去阻塞；（2）对于可重入锁如果是0则执行，非0则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，是的话把state状态+1，比如重入5次，那么state=5，而在释放锁的时候，同样需要释放5次直到state=0其他线程才有资格获得锁。

AQS两种资源共享方式

•  Exclusive：独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock
• Share：共享，多个线程可以同时执行，如Semaphore, CountDownLotch, ReadWriteLock, CyclicBarrier

CAS原理、缺点及应用

☞ 原理

内存值V，旧的期望值A，要修改的新值B，当A=V时，将内存值修改为B，否则什么都不做。

☞ 缺点

1. ABA问题
2. 如果CAS失败，自旋会给CPU带来压力
3. 只能保证对一个变量的原子性操作，i++这种是不能保证的

☞ 应用

Atomic系列

公平锁和非公平锁

1. 公平锁在分配锁前检查是否有线程在排队等待获取该锁，优先分配排队时间最常的线程，非公平锁直接尝试获取锁
2. 公平锁需要多维护一个线程队列，效率低，默认非公平

独占锁和共享锁

1. ReentrantLock为独占锁（悲观加锁策略）
2. ReentrantReadWriterLock中读锁为共享锁

4种锁状态

1. 无锁
2. 偏向锁 - 会偏向第一个访问锁的线程，当一个线程访问同步块代码获得锁时，会在对象头和栈帧记录里存储锁偏向的线程ID，当这个线程再次进入同步代码块时，就不需要CAS操作来加锁了，只要测试一下对象头里面是否存储指向当前线程的偏向锁，如果偏向锁未启动，new出的对象是普通对象（即无锁，有稍微竞争会造成轻量级锁），如果启动，new出的对象是匿名偏向（偏向锁）。对象头主要包括两部分数据：Mark Work（标记字段，存储对象自身的运行时数据）、class pointer（类型指针，对象指向它的类元数据的指针）
3. 轻量级锁（自旋锁）
   1. 在把线程进行阻塞操作之前先让线程自旋等待一段时间，可能在等待期间其他线程已经解锁，这是就无需再进行阻塞操作，避免了用户态到内核态的切换（自适应自选时间为一个线程上下文切换时间）
   2. 在用自旋锁时有可能会造成死锁，当递归调用时有可能造成死锁
   3. 自旋锁底层是通过指向线程栈中Lock Record的指针来实现
4. 重量级锁

轻量级锁与偏向锁的区别

1. 轻量级锁是通过CAS来避免进入开销较大的互斥操作
2. 偏向锁是在无竞争场景下完全消除同步，连CAS也不执行

自旋锁升级到重量级锁条件

1. 某线程自旋次数超过10次
2. 等待的自旋线程超过了系统core数的一半

读写锁及其实现方式

常用的读写锁ReentrantReadWriteLock，这个其实和ReentrantLock相似，也是基于AQS的，但是这个是基于共享资源的，不是互斥，关键在于state的处理，读写锁把高16位记为读状态，低16位记为写状态，就分开了，读读情况是读锁重入，读写/写读/写写都是互斥的，只要判断低16位就好了。

zookeeper实现分布式锁

1.  利用节点名称唯一性来实现，加锁时所有客户端一起创建节点，只有一个创建成功者获得锁，解锁时删除节点。
2. 利用临时顺序节点来实现，加锁时所有客户端都创建临时顺序节点，创建节点序号最小的获得锁，否则监视比机子序号次小的节点进行等待
3. 方法2相比方案1的好处时当zookeeper宕机后，临时顺序节点会自动删除释放锁，不会噪声锁等待
4. 方案1会产生惊群效应（当有很多进程在等待锁的时候，在释放锁的时候会有很多进程就过来争夺锁）
5. 由于需要频繁创建和删除节点，性能上不如redis锁

volatile变量

1. 变量可见性
2. 防止指令重排序
3. 保障变量单次读写的原子性，但不能保证i++这种操作的原子性，因为本质是读，写两次操作

volatile如何保证线程间可见和避免指令重排

volatile之可见性是由原子性保证的，在jmm中定义了8类原子性指令，比如write, store, read, load。而volatile就要求write-store, load-read成为一个原子性操作，这样子可以确保在读取的时候都是从主内存读入，写入的时候会同步到主内存中。

指令重排则是由内存屏障来保证的，有两个内存屏障：

1. 一个是编译器屏障：阻止编译器重排，保证编译程序时在优化屏障之后的指令不会在优化屏障之后执行
2. 二是cput屏障：sfence保证写入，lfence保证读取，lock类似于锁的方式。