Java笔试面试题AI答之线程（6）

31. 详细阐述volatile ？

volatile是Java中的一个关键字，它在多线程编程中扮演着重要的角色。以下是对volatile的详细阐述：

一、volatile的基本作用

1. 保证可见性：

   • 当一个线程修改了被volatile修饰的变量的值，这个新值对于其他线程来说是立即可见的。这意味着，如果一个线程写入了一个volatile变量，随后另一个线程去读取这个变量的值，它将得到最新写入的值。这保证了线程间通信的即时性。

2. 禁止指令重排序：

   • 在多线程环境中，为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。然而，这种重排序在特定情况下可能会导致程序出现错误的行为。volatile关键字可以禁止这种重排序，确保程序的执行顺序与代码中的顺序一致。

二、volatile的局限性

1. 不保证原子性：

   • 尽管volatile可以保证变量的可见性和禁止指令重排序，但它并不保证对变量的操作是原子的。例如，对于volatile变量i，i++这样的操作并不是原子的，因为它实际上包含了读取、修改和写入三个步骤。如果多个线程同时执行这样的操作，可能会导致竞态条件和不一致的结果。

2. 适用场景有限：

   • volatile适用于那些状态标记、一次性安全发布、独立观察等场景，但在需要原子操作的场景中（如计数器），则不适合使用volatile。

三、volatile的实现原理

1. 内存可见性：

   • 当写线程写入一个volatile变量时，Java内存模型（JMM）会确保这个写入操作对其他线程是可见的。这通常是通过将修改后的值刷新到主内存中，并使得其他线程在读取该变量时从主内存中获取最新值来实现的。

2. 禁止指令重排序：

   • volatile变量的读写操作会被插入特定的内存屏障（Memory Barrier），这些屏障会阻止编译器和处理器对volatile变量周围的代码进行重排序。这确保了volatile变量的读写操作按照代码中的顺序执行。

四、使用volatile的注意事项

1. 谨慎使用：

   • 由于volatile不保证原子性，因此在需要原子操作的场景中应谨慎使用。如果必须使用volatile，并且需要保证原子性，那么可能需要结合其他同步机制（如synchronized或java.util.concurrent包中的原子类）来实现。

2. 独立变量：

   • volatile变量应该独立于其他变量使用，以避免复杂的依赖关系导致的问题。如果volatile变量的写操作依赖于其他变量的值，那么可能需要考虑使用其他同步机制来确保线程安全。

综上所述，volatile是Java中用于多线程编程的一个重要关键字，它可以保证变量的可见性和禁止指令重排序，但不保证原子性。在使用时需要谨慎考虑其适用场景和局限性，并结合其他同步机制来确保线程安全。

32. 乐观锁一定就是好的吗？

乐观锁（Optimistic Locking）作为一种在并发控制中常用的策略，并不是在所有情况下都一定优于其他并发控制机制，如悲观锁（Pessimistic Locking）。其适用性和效果取决于具体的应用场景和需求。

乐观锁的优点

1. 减少数据库锁的竞争：乐观锁通常通过版本号或时间戳等机制来实现，不需要在数据库层面显式地加锁，从而减少了锁的竞争，提高了系统的并发性能。
2. 降低死锁的风险：由于乐观锁不涉及数据库层面的锁机制，因此也避免了因锁竞争可能导致的死锁问题。
3. 适用于读多写少的场景：在数据更新不频繁的情况下，乐观锁可以显著提高性能，因为它避免了不必要的锁等待时间。

乐观锁的缺点

1. 可能导致数据更新失败：当多个事务同时更新同一数据时，由于乐观锁只是通过版本号或时间戳来检查数据是否发生变化，因此可能会遇到更新冲突，导致某些事务的更新操作失败。这可能需要应用层进行额外的处理，如重试机制。
2. 增加应用层的复杂性：为了实现乐观锁，应用层需要维护版本号或时间戳，并在数据更新时检查这些值。这增加了应用层的复杂性和开发成本。
3. 不适用于写密集的场景：在数据更新频繁的场景下，乐观锁可能会导致大量的更新冲突，从而影响系统的性能和用户体验。

结论

因此，乐观锁并不一定是好的，其适用性取决于具体的应用场景和需求。在选择并发控制机制时，需要根据实际情况进行权衡和选择。如果系统中读操作远多于写操作，且对数据的实时性要求不是特别高，那么乐观锁可能是一个不错的选择。但如果系统中写操作频繁，或者对数据的实时性和一致性要求非常高，那么可能需要考虑使用其他并发控制机制，如悲观锁或分布式事务等。

33. 什么是ReentrantLock ？

ReentrantLock是Java中的一个可重入锁（Reentrant Lock）实现，它提供了与synchronized关键字类似的线程同步功能，但相比synchronized具有更高的灵活性和可控性。以下是ReentrantLock的详细解释：

1. 基本概念

• 可重入性：ReentrantLock支持同一个线程对同一个锁的重复获取，避免了死锁问题。当一个线程获取锁时，计数加一；每次释放锁时，计数减一。只有当计数为零时，锁才会被完全释放。
• 灵活性：ReentrantLock提供了更多的控制功能，如尝试非阻塞地获取锁、设置超时时间等。

2. 主要特点

• 公平锁与非公平锁：ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种模式。公平锁会按照申请锁的顺序来授予锁，而非公平锁则允许某些线程插队，以提高性能。
• 条件变量：ReentrantLock提供了Condition接口，用于实现线程间的协作和通信。通过Condition，线程可以在等待某个条件成立时释放锁，并在条件成立时被唤醒后重新获取锁。
• 中断响应：ReentrantLock提供了lockInterruptibly()方法，允许在等待锁的过程中响应中断，避免了线程一直等待的问题。

3. 使用方法

• 加锁与解锁：使用ReentrantLock时，需要手动进行加锁和解锁操作。通过调用lock()方法获取锁，通过调用unlock()方法释放锁。为了避免死锁和确保锁的释放，通常将加锁和解锁操作放在try-finally语句块中。
• 尝试获取锁：ReentrantLock提供了tryLock()方法，尝试非阻塞地获取锁。如果锁在调用时是可用的，则获取锁并返回true；如果锁不可用，则立即返回false，而不会使当前线程等待。
• 设置超时时间：tryLock(long time, TimeUnit unit)方法允许线程在指定的等待时间内尝试获取锁。如果在这段时间内获得了锁，则返回true；如果超时时间结束仍然没有获得锁，则返回false。

4. 应用场景

ReentrantLock在多线程编程中有广泛的应用场景，如数据库连接池、缓存实现、生产者-消费者问题等。通过合理使用ReentrantLock，可以提高程序的并发性能和稳定性。

5. 注意事项

• 在使用ReentrantLock时，需要确保锁的释放与获取配对，避免出现锁未被释放的情况，导致其他线程无法获取锁。
• 锁的粒度应该合理控制，避免锁的持有时间过长或锁的粒度过大，导致性能瓶颈。
• 根据实际需求选择合适的锁模式（公平锁或非公平锁），以及合理利用条件变量和中断响应等特性。

综上所述，ReentrantLock是Java中一个功能强大、灵活可控的线程同步工具，通过合理使用可以显著提高程序的并发性能和稳定性。

34. ReentrantLock 是如何实现可重入性的？

ReentrantLock的可重入性是通过其内部机制精心设计的，主要依赖于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的同步状态（state）和持有者（exclusiveOwnerThread）等属性来实现。以下是ReentrantLock实现可重入性的具体方式：

1. AQS的同步状态（state）

• AQS的state变量用于表示同步状态，在ReentrantLock中，这个状态被用来记录锁的持有情况和重入次数。
• 当线程首次成功获取锁时，会将state设置为1，表示该线程已经获取了锁。
• 如果同一个线程再次尝试获取锁（即重入），则会将state的值递增，以表示锁的重入次数。

2. 锁的持有者（exclusiveOwnerThread）

• ReentrantLock还维护了一个表示当前锁持有者的线程变量（exclusiveOwnerThread）。
• 当线程首次获取锁时，会将该线程设置为锁的持有者。
• 当线程释放锁时，会检查state的值，如果state大于0，则表示当前线程还持有锁，此时只是将state递减，而不是完全释放锁。
• 只有当state减为0时，才表示锁被完全释放，此时会将锁的持有者设置为null，并唤醒等待队列中的线程（如果有的话）。

3. 尝试获取锁（tryAcquire）

• 当线程尝试获取锁时，会调用AQS的tryAcquire方法（在ReentrantLock的Sync内部类中实现）。
• 该方法首先检查锁的持有者是否是当前线程，如果是，则增加state的值（表示重入次数），并返回true，表示获取锁成功。
• 如果锁的持有者不是当前线程，则根据锁的类型（公平锁或非公平锁）进行不同的处理。

4. 释放锁（tryRelease）

• 当线程释放锁时，会调用AQS的tryRelease方法（在ReentrantLock的Sync内部类中实现）。
• 该方法会减少state的值，如果state变为0，则表示锁被完全释放，此时会清除锁的持有者，并唤醒等待队列中的线程（如果有的话）。

5. 示例代码

虽然无法直接给出ReentrantLock内部类的完整代码，但以下是一个简化的示例，说明了可重入性的实现思路：

// 假设的简化代码，用于说明可重入性的实现思路
public class ReentrantLockSimplified {
    private final Sync sync = new NonfairSync(); // 可以是FairSync或NonfairSync

    static abstract class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 尝试获取锁
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 锁未被持有，尝试通过CAS操作获取锁
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                // 锁已被当前线程持有，增加重入次数
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 释放锁
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            setState(c);
            return free;
        }
    }

    // ... 其他方法和内部类 ...
}

在这个简化的示例中，tryAcquire方法用于尝试获取锁，如果锁未被持有或者已被当前线程持有，则会成功获取锁（或增加重入次数）。tryRelease方法用于释放锁，如果释放后state变为0，则表示锁被完全释放。

综上所述，ReentrantLock通过AQS的同步状态和持有者等属性，以及精心设计的尝试获取锁和释放锁的方法，实现了可重入性这一重要特性。

35. 请对比下 Synchronized 和 ReentrantLock 的异同 ？

Synchronized和ReentrantLock都是Java中用于多线程同步的工具，它们各自具有不同的特点和适用场景。以下是对两者的异同点进行详细对比：

相同点

1. 功能相同：两者都是通过加锁的方式来协调多线程对共享资源的访问，确保同一时间只有一个线程能够访问该资源，从而避免数据的不一致性和线程安全问题。
2. 可重入性：都支持可重入性，即同一个线程可以多次获得同一把锁，而不会造成死锁。
3. 保证可见性和原子性：都能保证多线程环境下对共享变量的修改对所有线程可见，并且保证操作的原子性。

不同点

	Synchronized	ReentrantLock
类型	关键字	类（java.util.concurrent.locks.ReentrantLock）
用法	可用于修饰普通方法、静态方法和代码块	只能用于代码块，需要通过lock()和unlock()方法显式地加锁和释放锁
加锁与释放锁	自动加锁与释放锁	需要手动加锁和释放锁，通常使用try-finally语句确保锁的释放
锁机制	JVM层面，底层是native实现	API层面的锁，通过Java代码实现
锁类型	非公平锁	可选择公平锁和非公平锁
响应中断	不可响应中断，即线程在获取锁的过程中，如果当前线程被中断，则线程会处于阻塞状态，直到获得锁	可响应中断，即线程在等待锁的过程中，如果当前线程被中断，则会抛出InterruptedException异常，线程可以提前结束等待
锁状态标识	锁信息保存在对象头中	通过代码中int类型的state标识来标识锁的状态
灵活性	较为固定，使用简单但不够灵活	提供了更多的灵活性，如尝试获取锁（tryLock）、可中断的获取锁（lockInterruptibly）以及绑定条件变量（Condition）等
性能	在JDK 1.6及以后的版本中，synchronized进行了大量优化，性能已经与ReentrantLock相差不大，但在某些特定场景下（如锁的粒度非常细），ReentrantLock可能表现出更好的性能	提供了更高的灵活性，可能在某些复杂场景下比synchronized有更好的性能表现

总结

Synchronized和ReentrantLock各有优劣，选择哪种同步机制主要取决于具体的应用场景和需求。对于简单的同步需求，synchronized因其使用简单和JVM层面的优化而备受青睐。而对于需要更高灵活性和更细粒度锁控制的场景，ReentrantLock则是一个更好的选择。在实际开发中，应根据具体情况进行选择，以达到最佳的并发效果和性能。

36. 请问什么是锁消除和锁粗化？

锁消除（Lock Elimination）和锁粗化（Lock Coarsening）是两种用于优化多线程程序中锁性能的技术。

一、锁消除

定义：
锁消除是编译器或运行时系统在代码优化阶段，通过静态分析或动态优化检测到某些情况下不需要进行同步的代码块，并将其对应的锁操作去除的优化技术。

作用：
锁消除的目的是减少不必要的同步操作，从而提高程序的性能。当编译器能够确定某个对象或资源在多线程环境中不会被多个线程共享访问时，那么对该对象或资源的锁操作就可以被消除。

特点：

• 锁消除通常发生在编译器在静态分析阶段，或者在运行时对代码进行动态优化时。
• 锁消除由编译器或运行时系统自动完成，无需开发者显式操作。
• 开发者在使用锁时，应关注线程安全性的同时，了解这些优化技术，以便更好地理解程序的性能和效率。

二、锁粗化

定义：
锁粗化是将多个连续的、独立的锁操作合并为一个更大的锁操作的优化技术。

作用：
锁粗化通过减少锁竞争的频率来提高程序的性能。当编译器检测到代码中多个连续的、对同一个对象进行加锁和解锁的操作，且这些操作之间没有其他代码干扰时，编译器会将这些连续的锁操作合并为一个更大的锁操作，从而减少锁竞争的次数。

特点：

• 锁粗化是一种编译器优化技术，尤其在Java等支持并发编程的语言中较为常见。
• 它通过合并连续的锁操作来减少锁的获取和释放次数，从而提高程序性能。
• 锁粗化可能会增大锁的作用域，但在减少锁竞争频率方面效果显著。

总结

锁消除和锁粗化都是为了优化多线程程序中的锁性能而设计的。锁消除通过消除不必要的锁操作来减少同步开销，而锁粗化通过合并连续的锁操作来减少锁竞争的频率。这两种技术都由编译器或运行时系统自动完成，开发者无需显式操作，但了解这些优化技术有助于更好地理解和优化多线程程序的性能。

答案来自文心一言，仅供参考