【Java面试丨并发编程】线程中并发安全

一、Synchronized关键字的底层原理

1. Synchronized的作用

• Synchronized【对象锁】采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其他线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住

2. Monitor

• Synchronized【对象锁】底层是由Monitor实现，线程获得锁时需要使用对象（锁）关联的Monitor
  
• Monitor被翻译为监视器，由JVM提供，C++语言实现，在Monitor内部有三个属性，分别为Owner、EntryList、WaitSet
  
  （1）Owner：存储当前获取锁的线程，有且只能存储一个线程
  （2）EntryList：存储没有抢到锁的线程，此处均为处于Blocked阻塞状态的线程
  （3）WaitSet：存储调用wait()方法的线程，此处均为Waiting等待状态的线程

3. 锁升级

• Java中的Synchronized有偏向锁、轻量级锁、重量级锁三种形式，分别对应了锁只被一个线程持有、不同线程交替持有锁、多线程竞争锁三种情况
• 在JDK 1.6引入了两种新型锁机制：偏向锁和轻量级锁，它们的引入是为了解决在没有多线程竞争或基本没有竞争的场景下，因使用传统锁机制带来的性能开销问题
  
• 总结：一旦锁发生了竞争，都会升级为重量级锁

二、谈谈JMM（Java内存模型）

• Java内存模型（Java Memory Model，JMM）：定义了共享内存中多线程程序读写操作的行为规范，通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令的正确性
  
• 总结
  （1）JMM把内存分为两块，一块是私有线程的工作区域（工作内存），另一块是所有线程的共享区域（主内存）
  （2）线程跟线程之间是相互隔离的，线程跟线程之间交互需要通过主内存

三、CAS你知道吗

1. 介绍

• CAS（Compare And Swap，比较再交换）：体现了一种乐观锁的思想，在无锁的情况下，能够保证线程操作共享数据的原子性
• 在JUC（java.util.concurrent）包下实现的很多类都用到了CAS操作
  （1）AbstractQueuedSynchronizer（AQS框架）
  （2）AtomicXXX类（原子类）
• 在操作共享变量的时候使用的是自旋锁，效率上更高一些
• CAS的底层是调用Unsafe类中的方法，都是操作系统提供的，其他语言实现

2. CAS数据交换流程

3. 自旋锁

• 第一次CAS失败后，通过自旋操作，会重新加载主内存中共享变量V值到线程的工作内存中，将A值覆盖为新的V值，然后再去CAS操作，直到成功为止
• 自旋锁：因为没有加锁，所以线程不会陷入阻塞状态，效率较高；但是如果线程之间竞争激烈，重试频繁发生，效率会受影响
  

4. CAS底层实现

• CAS底层依赖于一个Unsafe类来直接调用操作系统底层的CAS指令
  
• ReentrantLock中实现CAS的代码
  

5. 乐观锁和悲观锁

• 乐观锁
  （1）CAS基于乐观锁的思想，最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃点亏再重试
• 悲观锁
  （1）Synchronized基于悲观锁的思想，最悲观的估计，得防着其他线程来修改共享变量，我上了锁，你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会修改

四、什么是AQS

1. 介绍

• AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）：是构建锁或者其他同步组件的基础框架
• AQS和Synchronized的区别
  
• AQS常见的实现类
  （1）ReentrantLock：阻塞式锁
  （2）Semaphore：信号量
  （3）CountDownLatch：倒计时锁

2. AQS工作机制

• AQS内部维护了一个先进先出的双向队列，队列中存储着排队的线程
• AQS内部还有一个属性state，这个state就相当于一个资源，默认是0（无锁状态）。如果队列中有一个线程成功修改state为1，则当前线程就相当于获取了资源（锁）
• 基本工作机制
  
• 多个线程共同去抢这个state资源，如何保证原子性
  
• AQS是公平锁，还是非公平锁
  

五、ReentrantLock的实现原理

1. 特点

• ReentrantLock为可重入锁，相对于Synchronized锁具备以下特点
  （1）可中断
  （2）可以设置超时时间
  （3）可以设置公平锁
  （4）支持多个变量
  （5）与Synchronized锁一样，都支持重入，调用lock()方法获取到锁之后，再次调用lock()方法是不会阻塞的

2. 实现原理

• ReentrantLock主要利用CAS+AQS队列来实现的，支持公平锁和非公平锁

• ReentrantLock的构造方法接收一个可选的公平参数（默认：非公平锁），当设置为true时，表示公平锁，否则为非公平锁
  

• 公平锁的效率往往没有非公平锁效率高，在多线程访问的情况下，公平锁表现出较低的吞吐量

• 具体描述
  

六、死锁产生的条件是什么

1. 介绍

• 死锁：一个线程需要同时获取多把锁，这时候就容易发生死锁
  

2. 如何进行死锁诊断

• 当程序出现了死锁现象，可以使用JDK自带的工具：jps和jstack
  （1）jps：输出JVM中运行的进程状态信息
  （2）jstack：查看Java进程内线程的堆栈信息
  
• 其他工具查看
  （1）jconsole.exe
  
  （2）VisualVM
  

七、谈谈你对volatile的理解

1. 介绍

• 一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义
  （1）保证线程之间的可见性
  （2）禁止进行指令重排

2. 保证线程之间的可见性

• 用volatile修饰共享变量，能够防止编译器等优化发生，让一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见
• 可见性问题分析：主要是因为在JVM虚拟机中有一个JIT（即时编译器）给代码做了优化
  
  （1）解决方案一：在程序运行的时候加入VM参数-Xint，表示禁用JIT即时编译器【不推荐，得不偿失，其他程序还要使用JIT】
  （2）解决方案二：在修饰共享变量的时候加上volatile，告诉JIT不要对volatile修饰的变量做优化

3. 禁止指令重排序

• 用volatile修饰共享变量时，会在读、写共享变量时加入不同的屏障，阻止其他读写操作越过屏障，从而达到阻止重排序的效果
• 指令重排序演示
  
• 解决指令重排序演示
  
• volatile使用技巧
  （1）写变量：让volatile修饰的变量在代码最后位置
  （2）读变量：让volatile修饰的变量在代码最开始位置

八、聊一下ConcurrentHashMap

1. 介绍

• ConcurrentHashMap是一种线程安全的高效Map集合
• 底层数据结构
  （1）JDK 1.7：采用分段的数组+链表实现
  （2）JDK 1.8：采用的数据结构和HashMap一样，数组+链表/红黑二叉树

2. 添加数据逻辑

• JDK 1.7：ReentrantLock锁+CAS
  （1）整体流程
  
  （2）添加数据
  
• JDK 1.8：Synchronized锁+CAS
  （1）CAS控制数组节点的添加
  （2）Synchronized只是锁定当前链表/红黑树二叉树的首节点，只要hash不冲突，就不会产生并发问题，效率得到提升
  （3）添加数据
  

九、导致并发程序出现问题的根本原因是什么

1. 原子性

• 一个线程在CPU中操作不可暂停，也不可中断，要不执行完成，要不不执行

2. 可见性

• 一个线程对共享变量的修改对另一个线程可见

3. 有序性

• 指令重排序：处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化。它不保证程序中各个语句的执行先后顺序与代码中的顺序一致

4. 解决方案

• 原子性：Synchronized、Lock
• 可见性：volatile、Synchronized、Lock
• 有序性：volatile

十、Synchronized锁和Lock锁有什么区别

1. 语法层面

• Synchronized是Java关键字，源码在JVM中，由C++语言实现
• Lock是接口，源码由JDK提供，Java语言实现
• 使用Synchronized时，退出同步代码块，锁会自动释放
• 使用Lock时，需要手动调用unlock()方法释放锁

2. 功能层面

• 二者均属于悲观锁，都具备基本的互斥、同步、锁重入功能
• Lock提供了许多Synchronized不具备的功能，比如：公平锁、可打断（lock.lockInterruptibly()方法&t1.interrupt()方法）、可超时（lock.tryLock(long time)方法）、多条件变量（lock.newCondition()方法&c1.await()方法&c1.signal()方法）
• Lock有适合不同场景的实现，比如：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock（读写锁）

3. 性能层面

• 在没有竞争时候，Synchronized做了很多优化，性能不赖，比如：偏向锁、轻量级锁
• 在竞争激烈时候，Lock的实现通常会提供更好的性能