【Java面试】十八、并发篇（中）

news2025/2/26 6:15:39

文章目录

  • 1、什么是AQS
  • 2、ReentrantLock的实现原理
    • 2.1 原理
    • 2.2 其他补充点
  • 3、synchronized和Lock有什么区别
    • 3.1 区别
    • 3.2 Demo代码
    • 3.3 signal方法的底层实现
  • 4、死锁的产生与排查
    • 4.1 死锁产生的条件是什么
    • 4.2 死锁的排查

1、什么是AQS

  • AQS，抽象队列同步器，包含三个核心抽象类，是多线程中的队列同步器，是一种锁机制，是JUC的基石，它做为一个基础框架使用，像ReentrantLock、信号量Semaphore、计时器CountDownLatch 都是基于AQS实现的
  • AQS内部维护了一个先进先出的双向队列，队列中存储的排队的线程（把排队的线程封装成一个个Node对象存FIFO队列，像银行办业务，没轮到办理的人去椅子上排排坐）
  • 在AQS内部还有一个属性state，这个state就相当于是一个资源，默认是0，代表无锁状态，如果队列中的有一个线程成功修改了state值为1，则当前线程就相等于获取了资源，即抢锁成功（银行指示灯亮了，表示有人开始办理业务了）
  • 多个线程同时去抢着修改state的情况下，有CAS保证操作的原子性

在这里插入图片描述

最后，基于AQS写出来的是公平锁还是非公平锁，取决于：新来的线程是和FIFO队列已经排队的线程一起参与CAS抢着改state（非公平锁），还是说新来的线程直接排到FIFO的队尾，让之前排队的FIFO里的队首Node里的线程先改state（公平锁）

在这里插入图片描述

2、ReentrantLock的实现原理

2.1 原理

答案：

  • ReentrantLock，可以重新进入的锁，调用lock方法获取了锁之后，本线程可以再次调用lock获取到锁，而不会再阻塞
  • ReentrantLock主要利用 CAS+AQS 来实现支持公平锁和非公平锁，在提供的构造器的中无参默认是非公平锁，也可以传参设置为公平锁
  • 可重入的实现，底层就是Monitor里的__count属性
    在这里插入图片描述

详细：

以非公平锁为例：

在这里插入图片描述

非公平锁对象NonfairSync继承自内部类Sync，Sync类又继承了AQS的类：
在这里插入图片描述

  • 线程来抢锁后使用 CAS 的方式修改 state 状态，修改状态成功为1，则让 exclusiveOwnerThread属性指向当前线程，表示获取锁成功

  • 假如修改状态失败，则会进入双向队列中等待，head 指向双向队列头部，tail 指向双向队列尾部

  • 当 exclusiveOwnerThread 为 null 的时候，则会唤醒在双向队列中等待的线程

  • 公平锁体现在新来的线程要排队才能参与抢锁，非公平锁则是新来的线程可以和FIFO队列里的head节点的线程一起抢锁

在这里插入图片描述

2.2 其他补充点

ReentrantLock，可重入锁，相比synchronized，它支持但synchronized不支持的点有：

  • 可中断：一个正在等待获取锁的线程可以被中断
  • 可以设置超时时间：超市没拿到锁可以放弃等待，synchronized则线程一直阻塞
  • 支持公平锁和非公平锁，synchronized仅非公平
  • 支持多个条件变量Condition

但ReentrantLock和synchronized都支持重入

3、synchronized和Lock有什么区别

3.1 区别

语法层面：

  • synchronized是关键字，源码在JVM，c++实现
  • Lock是接口，源码属于JDK，Java实现
  • 用synchronized，退出同步代码块时会自动释放锁，用Lock，需手动调用unlock释放锁

功能层面：

  • 二者均属于悲观锁，且都是可重入锁
  • Lock提供了很多synchronized不具备的功能，如公平锁、可打断、可超时、Condition条件
  • Lock有适合不同场景的实现，如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

性能层面：

  • 竞争不激烈时，用synchronized挺好，因为做了偏向锁、轻量级锁的缓冲，不会一下到重锁进行内核态和用户态的频繁切换
  • 在竞争激烈时，Lock的实现通常会提供更好的性能

3.2 Demo代码

针对Lock的可打断：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockTest {

    //创建锁对象
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //可打断
        lockInterrupt();
    }


    /**
     * 可打断
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void lockInterrupt() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                //开启可中断的锁
                //lock.lock()获取到的锁阻塞时不可打断
                lock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                System.out.println("等待的过程中被打断");
                return;
            }
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");
        lock.lock();
        System.out.println("主线程获得了锁");
        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
            t1.interrupt();
            System.out.println("执行打断");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }



}

main线程抢到了锁，t1线程在等待锁的时候，被main线程打断阻塞，抛出InterruptedException异常后被捕获：

在这里插入图片描述
关于Lock的可超时：

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockTest {

    //创建锁对象
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //可超时
        timeOutLock();

    }

    /**
     * 锁超时
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void timeOutLock() throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            //尝试获取锁，如果获取锁成功，返回true，否则返回false
            try {
                if (!lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("t1-获取锁失败");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                System.out.println("t1线程-获得了锁");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");

        lock.lock();
        System.out.println("主线程获得了锁");
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } 

}

主线程获取锁后，t1去tryLock，按设定的2s后，获取锁超时

在这里插入图片描述

关于Lock的Condition条件：多个Condition对象关联同一个Lock对象，condition.await( )，有点像Object的wait思路，不同的是，Object的notify是随机唤醒一个阻塞在Object对象锁上的线程（底层是synchronized），而Lock的Condition则可以精准唤醒被哪个Condition阻塞的对象，有点线程下又分出多个协程的味道，一个Lock下分出多个Condition对象。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockTest {

    //创建锁对象
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //条件1
    static Condition c1 = lock.newCondition();
    //条件2
    static Condition c2 = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        //多条件变量
        conditionTest();

    }

    /**
     * 多条件变量
     */
    public static void conditionTest(){
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                //进入c1条件的等待
                c1.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                //进入c2条件的等待
                c2.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t2").start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                //唤醒c1条件的线程
                c1.signalAll();
                //唤醒c2条件的线程
                c2.signal();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t3").start();


    }

}

在这里插入图片描述

3.3 signal方法的底层实现

最后，关于condition的signal方法：

在这里插入图片描述

每个Condition对象有一个单独的等待队列，在线程1里调用 Condition c1 的 await() 方法后，线程1会释放当前持有的 ReentrantLock锁，然后进入 c1自己的等待队列。当另一个线程调用 c1.signal() 或 c1.signalAll() 方法后，在c1等待队列中的t1线程将会被移动到 ReentrantLock 的等待队列（AQS的FIFO队列）中，然后开始竞争获取锁（获取锁时，就看是公平锁还是非公平锁了）

在这里插入图片描述

从这儿也可以看出来，synchronized源码在JVM（c++），写死了，改不了，AQS下的其他锁则更加灵活。

4、死锁的产生与排查

4.1 死锁产生的条件是什么

一个线程需要同事获取多把锁时，可能发生死锁

在这里插入图片描述

t1需要先拿到A锁，再拿到B锁，然后释放B锁、A锁，t2线程需要先拿到B锁，再获取A锁，然后是让A锁、B锁。此时，t1、t2互相等待，尬住，程序无异常且一直卡着：

在这里插入图片描述

4.2 死锁的排查

  • jps：类似Linux的ps -ef
  • jstack：JVM自带堆栈跟踪工具

在这里插入图片描述
还可以用可视化的jsconsole：

在这里插入图片描述

此外，也可安装VisualVM来排查，点击线程转存：

在这里插入图片描述

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