面试专题：java 多线程（1）----synchronized关键字相关问答

在java 多线程 面试中最多问题1.悲观锁和乐观锁；2.synchronized和lock的区别；3.可重入锁和非可重入锁的区别；4.多线程是解决什么问题的；5.线程池解决什么问题的；6.线程池原理；7.线程池使用注意事项；8.AQS原理；9.ReentranLock源码，设计原理，整体过程等问题；

一 面试中关于 synchronized 关键字的问答

1.说一说对synchronized关键字的了解?

答：synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized关键字可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。
另外，在 Java 早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的，Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程， 都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，这个状态之间的转换需要   相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化，所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的   开销。

2.说一说synchronized关键字的使用和实际项目中应用

答：synchronized关键字最主要的三种使用方式：
修饰实例方法，作用于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得当前对象实例的锁
修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁  。也就是给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例，因为静态成员不属于任何一个实例对象，是类成员（  static   表明这是该类的一个静态资源，不管new了多少个对象，只有一份，所以对该类的所有对象都加了锁）。所以如果一个线程A调用一个实    例对象的非静态 synchronized 方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁，而访问非静态synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁。
修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。 和 synchronized 方法一样，synchronized(this)代码块也是锁定当前对象的。synchronized 关键字加到 static 静态方法和synchronized(class)代码块上都是是给 Class  类上锁。这里再提一下：synchronized关键字加到非 static  静态方法上是给对象实例上锁。另外需要注意的是：尽量不要使用 synchronized(String a) 因为JVM中，字符串常量池具有缓冲功能！
下面我已一个常见的面试题为例讲解一下 synchronized 关键字的具体使用。

面试中面试官经常会说：“单例模式了解吗？来给我手写一下！给我解释一下双重检验锁方式实现单例模式的原理  呗！”

双重校验锁实现对象单例（线程安全）双重校验锁实现对象单例（线程安全）

public class Singleton {


private volatile static Singleton uniqueInstance;


private Singleton() {
}


public static Singleton getUniqueInstance() {
//先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
    if (uniqueInstance == null) {
        //类对象加锁
        synchronized (Singleton.class) { 
            if (uniqueInstance == null) {
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
        }
      }
      return uniqueInstance;
    }
}

另外，需要注意 uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance =  new  Singleton();  这段代码其实是分为三步执行：
1.为 uniqueInstance 分配内存空间
2.初始化 uniqueInstance
3.将 uniqueInstance 指向分配的内存地址
但是由于 JVM  具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成  1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出先问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用getUniqueInstance()  后发现  uniqueInstance  不为空，因此返回  uniqueInstance，但此时  uniqueInstance  还未被初始化。
使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

3.Volatile关键字的作用是什么？

Volatile关键字的作用主要有如下两个：
1.线程的可见性：当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。
2. 顺序一致性：禁止指令重排序。

可见性测试代码：

public class VolatileTest {
    boolean flag = true;

    public void updateFlag() {
        this.flag = false;
        System.out.println("修改flag值为：" + this.flag);
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest test = new VolatileTest();
        new Thread(() -> {
            while (test.flag) {
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }, "Thread1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                test.updateFlag();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }, "Thread2").start();

    }
}

打印结果如下，我们可以看到虽然线程Thread2已经把flag 修改为false了，但是线程Thread1没有读取到flag修改后的值，线程一直在运行

修改flag值为：false

我们把flag 变量加上volatile：

volatile  boolean flag = true;

重新运行程序，打印结果如下。Thread1结束，说明Thread1读取到了flage修改后的值

修改flag值为：false
Thread1结束

4.Volatile与Synchronized比较

Volatile是轻量级的synchronized，因为它不会引起上下文的切换和调度，所以Volatile性能更好。
Volatile只能修饰变量，synchronized可以修饰方法，静态方法，代码块。
Volatile对任意单个变量的读/写具有原子性，但是类似于i++这种复合操作不具有原子性。而锁的互斥执行的特性可以确保对整个临界区代码执行具有原子性。
多线程访问volatile不会发生阻塞，而synchronized会发生阻塞。
volatile是变量在多线程之间的可见性，synchronize是多线程之间访问资源的同步性。
5.synchronized 关键字的底层原理

synchronized 关键字底层原理属于 JVM 层面。

① synchronized 同步语句块的情况

public class SynchronizedDemo { 
    public void method() {
        synchronized (this) { 
            System.out.println("synchronized 代 码 块 ");
        }
    }
}

通过 JDK 自带的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 类的相关字节码信息：首先切换到类的对应目录执行     javac SynchronizedDemo.java  命令生成编译后的 .class 文件，然后执行javap -c -s -v -l  SynchronizedDemo.class

（javap 是 Java class文件分解器，可以反编译，也可以查看 java 编译器生成的字节码等。）

从上面我们可以看出：

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。 当执行 monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 monitor(monitor对象存在于每个Java对象的对象头中，synchronized 锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因)      的持有权.当计数器为0则可以成功获取，获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

 ② synchronized 修饰方法的的情况② synchronized 修饰方法的的情况

public class SynchronizedDemo2 { 
    public synchronized void method() {
        System.out.println("synchronized 方法");
    }
}

synchronized  修饰的方法并没有  monitorenter  指令和  monitorexit  指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

（备注：如果synchronized关键字修饰非静态方法且没有指明具体的锁对象时，认为每次的对象实例就是锁对象就是每次锁的对象new不一样的就不能实现代码同步。要解决这一问题需要指定锁对象为class或添加staic关键字或指定锁对象是同一个对象实例就可以 ,如果添加的锁对象是当前实例则每次new对象则产生新的对象实例不能锁同步）

6.说说 JDK1.6 之后的synchronized 关键字底层做了哪些优化，可以详细介绍一下这些优化吗

JDK1.6    对锁的实现引入了大量的优化，如偏向锁、轻量级锁、自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化等技术来减少锁操作的开销。

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐   渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

7.synchronized和ReenTrantLock 的区别

① 两者都是可重入锁
两者都是可重入锁。“可重入锁”概念是：自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁，此时  这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的，如果不可锁重入的话，就会造成死   锁。同一个线程每次获取锁，锁的计数器都自增1，所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。
② synchronized 依赖于 JVM 而 ReenTrantLock 依赖于 API
synchronized 是依赖于 JVM 实现的，前面我们也讲到了 虚拟机团队在 JDK1.6 为 synchronized 关键字进行了很多优化，但是这些优化都是在虚拟机层面实现的，并没有直接暴露给我们。ReenTrantLock 是 JDK 层面实现的（也就是 API 层面，需要 lock() 和 unlock 方法配合 try/finally 语句块来完成），所以我们可以通过查看它的源代码，来看它是如何实现的。ReenTrantLock 他是实现lock接口的类
③ ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能
相比synchronized，ReenTrantLock增加了一些高级功能。主要来说主要有三点：①等待可中断；②可实现公平锁；
③可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）

ReenTrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。也就是说正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。
ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等     待的线程先获得锁。 ReenTrantLock默认情况是非公平的，可以通过 ReenTrantLock类的ReentrantLock(boolean fair) 构造方法来制定是否是公平的。
synchronized关键字与wait()和notify/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知机制，ReentrantLock类当然也  可以实现，但是需要借助于Condition接口与newCondition()  方法。Condition是JDK1.5之后才有的，它具有很好的灵活性，比如可以实现多路通知功能也就是在一个Lock对象中可以创建多个Condition实例（即对象监视器），线程对象可以注册在指定的Condition中，从而可以有选择性的进行线程通知，在调度线程上更加灵
活。 在使用notify/notifyAll()方法进行通知时，被通知的线程是由 JVM 选择的，用ReentrantLock类结合Condition实例可以实现“选择性通知” ，这个功能非常重要，而且是Condition接口默认提供的。而synchronized关键字就相当于整个Lock对象中只有一个Condition实例，所有的线程都注册在它一个身上。如果执行notifyAll()方法的话就会通知所有处于等待状态的线程这样会造成很大的效率问题，而Condition实例的signalAll()方法 只会唤醒注册在该Condition实例中的所有等待线程。
如果你想使用上述功能，那么选择ReenTrantLock是一个不错的选择。
④ 性能已不是选择标准

下面是ReentrantLock的基本使用，先创建一个锁再释放锁 注意锁释放一般放在finally代码块里防止死锁。可重入锁

public class Test {
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args){//可重入锁
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("main方法中获取到了锁..");
            m1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
            System.out.println("main方法中释放到了锁..");
        }
    }
    public static void m1(){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("m1方法中获取到了锁..");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
            System.out.println("m1方法中释放了锁..");
        }
    }

}

  上面的代码和输入结果证明，在一个线程中，main方法没有释放锁，m1方法就能获取到锁，由此证明了ReentrantLock的可重入性。

可打断锁

要想实现可打断特性，不可以调用lock()方法，需要调用 lockInterruptibly() 方法。当有线程竞争锁的时候，某一线程获取锁失败会进入休眠状态，如果加锁时调用的是lockInterruptibly() 方法，在其它线程中调用interrupt方法，该线程会报异常并放弃争抢锁，如果加锁时调用lock方法，interrupt后依然会继续休眠，直到获取到锁。

public class ReentranLockDemo {
    //可重入锁
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @SneakyThrows
            @Override
            public void run() {
                dosomething();
                Thread.currentThread().sleep(100);
            }
        }).start();

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                dosomething();
            }
        });
        t2.start();
        t2.interrupt();//线程没得到锁做些别的事情
    }
    private static void dosomething(){
        //获取锁
        try {
            lock.lockInterruptibly();//可打断
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 方法中获取了lock");
            //m1();//可重入锁
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("打断do other thing");//打断后可做的事情
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try {
                //释放锁
                lock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 方法中释放了锁lock");
            }catch(Exception e){
                System.out.println("没得到锁的做些别的事情");
            }
        }
    }

公平锁和非公平锁

 private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
//公平锁

默认非公平锁

对象监视器condition使用

在使用 synchronized 的时候，线程的等待是使用 wait()、notify()和 notifyAll() 等方法。而在与 Lock 配合就需要使用到 Condition。从 ReentrantLock 的 newCondition() 方法中获取一个 Condition 对象。Condition 无法单独使用，还是需要先获取到锁之后再使用。

ReentranLock锁和condition搭配使用

public class ReentranLockDemo{
    //可重入锁
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    private final Condition product = lock.newCondition();//生产者//监视器对象
    private final Condition customer= lock.newCondition();//消费者
    private final  int MAX = 10; //最多10个元素
    private int count = 0;//计数器
    private final LinkedList lists = new LinkedList<>();

    private void put(T t){
        try {
            lock.lock();//获取锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者获取锁");
            while (lists.size() == MAX) {
                product.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者等待");
            }
            lists.add(t);
            ++count;
            customer.signalAll();//唤醒所有消费者
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"通知消费者消费");
        }catch(InterruptedException e){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者await锁失败");
        }finally{
            lock.unlock();//释放锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"生产者释放锁");
        }
    }

    private T get(){
        T t = null;
        try{
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者获取锁");
            while(lists.size()==0){
                customer.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者等待");
            }
            t=lists.removeFirst();
            count--;
            product.signalAll();//通知生产者开始生产
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"通知生产者开始生产");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者await锁失败");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"消费者释放锁");
        }
        return t;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentranLockDemo c = new ReentranLockDemo();
        //启动消费者线程
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(()->{
                while(true){
                    System.out.println("消费产品："+c.get());
                }


            }, "c" + i).start();
        }

        //启动生产者线程
        AtomicInteger index=new AtomicInteger(0);
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(()->{
                while(true){
                    c.put(Thread.currentThread().getName()+" -- "+index.getAndIncrement());
                }


            }, "p" + i).start();
        }
    }
}

二 关于线程池的一些问答：