Java面试篇（多线程相关专题）

文章目录

0. 前言
1. 线程基础
- 1.1 线程和进程
- - 1.1.1 进程
  - 1.1.2 线程
  - 1.1.3 进程和线程的区别
- 1.2 并行和并发
- - 1.2.1 单核 CPU 的情况
  - 1.2.2 多核 CPU 的情况
  - 1.2.3 并行和并发的区别
- 1.3 线程创建的方式
- - 1.3.1 继承 Thread 类，重写 run 方法
  - 1.3.2 实现 Runnable 接口，重写 run 方法
  - 1.3.3 实现 Callable 接口，重写 call 方法
  - 1.3.4 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）
  - 1.3.5 Runnable 接口与 Callable 接口有什么区别
  - 1.3.6 在启动线程的时候，可以使用 run 方法吗，run 方法和 start 方法有什么区别
- 1.4 线程包括哪些状态，状态之间是如何转换的
- - 1.4.1 线程的状态
  - 1.4.2 线程状态之间是如何转换的
- 1.5 新建三个线程，如何保证它们按照顺序执行
- 1.6 notify 方法和 notifyAll 方法有什么区别
- 1.7 wait 方法和 sleep 方法的区别
- - 1.7.1 共同点
  - 1.7.2 不同点
- 1.8 如何停止一个正在运行的线程
2. 线程安全
- 2.1 synchronized 关键字的底层原理
- 2.2 synchronized 关键字的底层原理-进阶
- 2.3 Java 的内存模型
- 2.4 CAS
- 2.5 volatile 关键字
- - 2.5.1 保证共享变量在线程间的可见性
  - 2.5.2 禁止指令重排序
- 2.6 AQS
- - 2.6.1 AQS 与 synchronized 的区别
  - 2.6.2 AQS 的常见实现类
  - 2.6.3 AQS 的基本工作机制
- 2.7 ReentrantLock 的底层实现原理
- 2.8 synchronized 和 Lock 有什么区别
- - 2.8.1 语法层面
  - 2.8.2 功能层面
  - 2.8.3 性能层面
- 2.9 死锁产生的条件及排查方案
- 2.10 ConcurrentHashMap
- 2.11 导致并发程序出现问题的根本原因
- - 2.11.1 原子性
  - 2.11.2 可见性
  - 2.11.3 有序性

0. 前言

相信说到多线程，很多同学都麻了，因为我们在学习过程中基本上没有使用过多线程，而且在项目开发的过程中好像也没怎么用到多线程，但面试官是真爱问，我们必须要研究一下

与多线程相关的面试题一般都有两个标签：高频、难以回答

与多线程相关的面试题大概分为四类

在这里插入图片描述

第一类：线程的基础知识，涉及到很多面试题，但相对来说比较好回答
第二类：线程中的并发安全，这一类的内容被问到的概率非常高，并且不太好回答，大部分都是跟锁的内容有关
第三类：线程池，一般在项目中使用多线程的话，都会配合线程池一起使用
第四类：使用场景，这个是最让人头疼的，前三类问题死记硬背可能还没啥问题，但是遇到场景问题可能就毫无思路了，万一面试官一上来就问你们在项目中哪里用到线程池，像这些场景题，因为大家没有经历过，项目中根本没用过，不太好回答，不过没关系，这次我们一起来搞定这些问题

其实学习多线程相关的知识，不仅仅是为了应付面试，更是为了个人技能水平的提升，万一以后项目中真要使用到多线程，也能快速上手

线程池和使用场景部分可以查看我的另一篇博文：Java面试篇（线程池相关专题）

1. 线程基础

1.1 线程和进程

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1.1.1 进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU ，将数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备，进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的

简单地来说，当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，就开启了一个进程

进程也可细分为多实例进程和单实例进程

在这里插入图片描述

1.1.2 线程

一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行

一个进程之内可以分为一到多个线程

在这里插入图片描述

1.1.3 进程和线程的区别

进程是正在运行程序的实例，进程中包含了线程，每个线程执行不同的任务
不同的进程使用不同的内存空间，进程下的所有线程可以共享进程的内存空间
线程更轻量，线程上下文切换的成本一般上要比进程上下文切换低（上下文切换指的是从一个线程切换到另一个线程）

1.2 并行和并发

在这里插入图片描述

1.2.1 单核 CPU 的情况

单核 CPU 下线程实际还是串行执行的

在这里插入图片描述

操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 CPU 的时间片（Windows 操作系统下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 CPU 在线程间的切换非常快（时间片很短），人类感觉是同时运行的

总结为一句话就是：微观上是串行的，宏观上是并行的

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发（concurrent）

1.2.2 多核 CPU 的情况

每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的

在这里插入图片描述

1.2.3 并行和并发的区别

并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力

并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

举一个例子方便大家理解：

家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
家庭主妇雇了个保姆，她们一起做这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
家庭主妇雇了 3 个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

1.3 线程创建的方式

在这里插入图片描述

共有四种方式可以创建线程，分别是：

继承 Thread 类，重写 run 方法
实现 Runnable 接口，重写 run 方法
实现 Callable 接口，重写 call 方法
通过线程池创建线程（项目中的使用方式）

1.3.1 继承 Thread 类，重写 run 方法

public class MyThread extends Thread {
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread is running");
    }

}

import cn.edu.scau.thread.MyThread;

public class ThreadDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread();
        MyThread t2 = new MyThread();
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

1.3.2 实现 Runnable 接口，重写 run 方法

public class MyRunnable implements Runnable {
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyRunnable is running");
    }
    
}

import cn.edu.scau.runnable.MyRunnable;

public class RunnableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

        Thread t1 = new Thread(myRunnable);
        Thread t2 = new Thread(myRunnable);

        t1.start();
        t2.start();
    }

}

1.3.3 实现 Callable 接口，重写 call 方法

import java.util.concurrent.Callable;

public class MyCallable implements Callable<String> {

    @Override
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("MyCallable is calling");
        return "ok";
    }

}

import cn.edu.scau.callable.MyCallable;

import java.util.concurrent.FutureTask;

public class CallableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCallable myCallable = new MyCallable();

        FutureTask<String> stringFutureTask = new FutureTask<>(myCallable);
        Thread thread = new Thread(stringFutureTask);
        thread.start();

        String result;
        try {
            result = stringFutureTask.get();
            System.out.println("result = " + result);
        } catch (Exception exception) {
            exception.printStackTrace();
        }
    }

}

1.3.4 通过线程池创建线程（项目中的使用方式）

package cn.edu.scau.threadpool;

public class MyExecutor implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyExecutor is running");
    }

}

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ExecutorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
        // 提交任务
        executorService.submit(new MyExecutor());
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }

}

1.3.5 Runnable 接口与 Callable 接口有什么区别

Runnable 接口的 run 方法没有返回值
Callable 接口 call 方法有返回值，是个泛型，和 Future、FutureTask 配合可以用来获取异步执行的结果
Callable 接口的 call 方法允许抛出异常，而 Runnable 接口的 run 方法的异常只能在内部处理（使用 try-catch 代码块），不能继续上抛

1.3.6 在启动线程的时候，可以使用 run 方法吗，run 方法和 start 方法有什么区别

start 方法：用来启动线程，通过该线程调用 run 方法执行 run 方法中所定义的逻辑代码，start 方法只能被调用一次，如果多次调用 start 方法会抛出异常（IllegalThreadStateException）
run 方法：封装了要被线程执行的代码，可以被调用多次
调用 run 方法使用的是原线程，而调用 start 方法会另开一个线程

下面是一个例子

public class MyRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.err.println("currentThread = " + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("MyRunnable is running");
    }

}

import cn.edu.scau.runnable.MyRunnable;

public class RunnableDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

        Thread t1 = new Thread(myRunnable);
        Thread t2 = new Thread(myRunnable);

        t1.run();
        t1.run();

        t1.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

输出结果如下

在这里插入图片描述

1.4 线程包括哪些状态，状态之间是如何转换的

在这里插入图片描述

1.4.1 线程的状态

线程的状态可以参考 JDK 中 Thread 类中的枚举类 State，主要有以下六个状态：

NEW：新建
RUNNABLE：可运行
BLOCKED：阻塞
WAITING：等待
TIMED_WAITING：计时等待
TERMINATED：终止

public enum State {
    /**
     * Thread state for a thread which has not yet started.
     */
    NEW,

    /**
     * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
     * state is executing in the Java virtual machine but it may
     * be waiting for other resources from the operating system
     * such as processor.
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
     * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
     * to enter a synchronized block/method or
     * reenter a synchronized block/method after calling
     * {@link Object#wait() Object.wait}.
     */
    BLOCKED,

    /**
     * Thread state for a waiting thread.
     * A thread is in the waiting state due to calling one of the
     * following methods:
     * <ul>
     *   <li>{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout</li>
     *   <li>{@link #join() Thread.join} with no timeout</li>
     *   <li>{@link LockSupport#park() LockSupport.park}</li>
     * </ul>
     *
     * <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to
     * perform a particular action.
     *
     * For example, a thread that has called {@code Object.wait()}
     * on an object is waiting for another thread to call
     * {@code Object.notify()} or {@code Object.notifyAll()} on
     * that object. A thread that has called {@code Thread.join()}
     * is waiting for a specified thread to terminate.
     */
    WAITING,

    /**
     * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
     * A thread is in the timed waiting state due to calling one of
     * the following methods with a specified positive waiting time:
     * <ul>
     *   <li>{@link #sleep Thread.sleep}</li>
     *   <li>{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout</li>
     *   <li>{@link #join(long) Thread.join} with timeout</li>
     *   <li>{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}</li>
     *   <li>{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}</li>
     * </ul>
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     * Thread state for a terminated thread.
     * The thread has completed execution.
     */
    TERMINATED;
}

1.4.2 线程状态之间是如何转换的

在这里插入图片描述

创建线程对象是新建状态
调用了 start 方法后转变为可执行状态
线程获取到了 CPU 的执行权，且执行结束，是终止状态
在可执行状态的过程中，如果没有获取 CPU 的执行权，可能会切换其他状态
- 如果没有获取锁（synchronized 或 lock ）进入阻塞状态，获得锁再切换为可执行状态
- 如果线程调用了wait 方法进入等待状态，其他线程调用 notify 方法唤醒线程后可切换为可执行状态
- 如果线程调用了 sleep 方法，进入计时等待状态，到时间后可切换为可执行状态

1.5 新建三个线程，如何保证它们按照顺序执行

在这里插入图片描述

要保证新建的三个线程按照顺序执行，可以使用线程中的 join 方法，以下是一个示例

public class JoinTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建线程对象
        Thread t1 = new Thread(() -> System.out.println("t1"));

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                t1.join(); // 加入线程t1,只有t1线程执行完毕以后，再次执行该线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t2");
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join(); // 加入线程t2,只有t2线程执行完毕以后，再次执行该线程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t3");
        });

        // 启动线程
        t3.start();
        t2.start();
        t1.start();
    }

}

1.6 notify 方法和 notifyAll 方法有什么区别

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notifyAIL 方法：唤醒所有处于 WAITING 状态的线程
notify 方法：随机唤醒一个处于 WAITING 状态的线程

1.7 wait 方法和 sleep 方法的区别

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1.7.1 共同点

wait()、wait(long) 和 sleep(long) 方法的效果都是让当前线程暂时放弃 CPU 的使用权，进入阻塞状态

1.7.2 不同点

方法归属不同：

sleep(long)是 Thread 的静态方法
而 wait()、wait(long) 都是 Object 类的方法，每个对象都有

醒来时机不同：

执行 sleep(long) 和 wait(long) 方法的线程都会在等待相应毫秒后醒来，wait(long) 和 wait() 可以被 notify 唤醒，wait() 如果不唤醒就会一直等下去
它们都可以被打断唤醒

锁特性不同（重点）：

wait 方法的调用必须先获取 wait 对象的锁，而 sleep 则无此限制
wait 方法执行后会释放对象锁，允许其它线程获得该对象锁（放弃 CPU 的执行权，但其它线程可以用）
sleep 如果在 synchronized 代码块中执行，并不会释放对象锁（放弃 CPU 的执行权，但其它线程也用不了）

1.8 如何停止一个正在运行的线程

在这里插入图片描述

有三种方式可以停止线程：

使用退出标志，使线程正常退出，也就是当 run 方法完成后线程终止
使用 stop 方法强行终止（不推荐，方法已废用）
使用 interrupt 方法中断线程
1. 打断阻塞的线程（sleep、wait、join），线程会抛出 InterruptedException 异常
2. 打断正常的线程，可以根据打断状态来标记是否退出线程

使用退出标志的示例

public class InterruptDemo01 extends Thread {

    volatile boolean flag = false; // 线程执行的退出标记

    @Override
    public void run() {
        while (!flag) {
            System.out.println("MyThread...run...");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建MyThread对象
        InterruptDemo01 t1 = new InterruptDemo01();
        t1.start();

        // 主线程休眠6秒
        Thread.sleep(6000);

        // 更改标记为true
        t1.flag = true;
    }

}

使用 stop 方法的示例

public class InterruptDemo02 extends Thread {

    volatile boolean flag = false; // 线程执行的退出标记

    @Override
    public void run() {
        while (!flag) {
            System.out.println("MyThread...run...");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建MyThread对象
        InterruptDemo02 t1 = new InterruptDemo02();
        t1.start();

        // 主线程休眠6秒
        Thread.sleep(6000);

        // 调用stop方法
        t1.stop();
    }

}

使用 interrupt 方法的示例

public class InterruptDemo03 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.打断阻塞的线程
        // Thread t1 = new Thread(() -> {
        //     System.out.println("t1 正在运行...");
        //     try {
        //         Thread.sleep(5000);
        //     } catch (InterruptedException e) {
        //         e.printStackTrace();
        //     }
        // }, "t1");
        // t1.start();
        // Thread.sleep(500);
        // t1.interrupt();
        // System.out.println(t1.isInterrupted());

        // 2.打断正常的线程
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                Thread current = Thread.currentThread();
                boolean interrupted = current.isInterrupted();
                if (interrupted) {
                    System.out.println("打断状态：" + interrupted);
                    break;
                }
            }
        }, "t2");
        t2.start();
        Thread.sleep(500);
        t2.interrupt();
    }

}

2. 线程安全

2.1 synchronized 关键字的底层原理

在这里插入图片描述

我们先来回忆一下 synchronized 关键字的基本使用场景——卖票

public class TicketDemo {

    private static final Object lock = new Object();

    private int ticketNum = 10;

    public synchronized void getTicket() {
        synchronized (lock) {
            if (ticketNum <= 0) {
                return;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到一张票,剩余:" + ticketNum);
            // 非原子性操作
            ticketNum--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TicketDemo ticketDemo = new TicketDemo();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(ticketDemo::getTicket).start();
        }
    }

}

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】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就进入阻塞状态

在了解 synchronized 关键字的底层原理前，我们需要先了解一下 Monitor

Monitor 被翻译为监视器，由 JVM 提供，C++ 语言实现，Monitor 的大致结构如下

在这里插入图片描述

下面来看一个使用 synchronized 关键字的例子

在这里插入图片描述

Owner：存储当前获取锁的线程的，只能有一个线程可以获取
EntryList：关联没有抢到锁的线程，处于 Blocked 状态的线程
WaitSet：关联调用了 wait 方法的线程，处于 WAITING 状态的线程

注意：EntryList 中的线程并不是按照先来后到的顺序获取 Owner 的，谁抢到了 Owner ，谁就拿到了锁

总结：

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】
synchronized 的底层由 Monitor 实现的，Monitor 是 JVM 级别的对象（由C++实现），线程获得锁需要使用对象（锁）关联 Monitor
在 Monitor 内部有三个属性，分别是 Owner、EntryList、WaitSet
- Owner 关联的是获得锁的线程，并且只能关联一个线程
- Entrylist 关联的是处于阻塞状态的线程
- Waitset 关联的是处于 WAITING 状态的线程

2.2 synchronized 关键字的底层原理-进阶

面试官可能会问：Monitor 实现的锁属于重量级锁，你了解过锁升级吗

利用 Monitor 实现的锁属于重量级锁，里面涉及到了用户态和内核态的切换、进程的上下文切换，成本较高，性能比较低

该部分的内容比较难懂，可观看视频：synchronized 关键字的底层原理-进阶

2.3 Java 的内存模型

在这里插入图片描述

JMM：Java Memory Model，Java内存模型，定义了共享内存中多线程程序读写操作的规则，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

在这里插入图片描述

总结：

JMM（Java Memory Model），Java内存模型，定义了共享内存中多线程程序读写操作的规则，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
JMM 把内存分为两块，一块是私有线程的工作区域（工作内存），一块是所有线程的共享区域（主内存）
线程跟线程之间是相互隔离，线程跟线程之间交互需要通过主内存

2.4 CAS

在这里插入图片描述

CAS：Compare And Swap（先比较再交换），它体现的一种乐观锁的思想，在无锁情况下保证线程操作共享数据的原子性，很多框架的底层都采用了 CAS 的思想

JUC（java.util.concurrent）包下也有很多类都用到了 CAS 操作

AbstractQueuedSynchronizer（AQS框架）
AtomicXXX 类

下面是 CAS 的一个示例

在这里插入图片描述

一个当前内存值 V、旧的预期值 A、即将更新的值 B，当且仅当旧的预期值 A 和内存值 V 相同时，将内存值修改为 B 并返回 true，否则什么都不做，并返回 false

如果 CAS 操作失败，通过自旋的方式等待并再次尝试，直到成功

那什么是自旋呢，自旋可以理解为一个死循环

在这里插入图片描述

因为自旋没有加锁，所以线程不会陷入阻塞，效率较高。如果竞争激烈，重试频繁发生，效率会受影响

CAS 底层依赖于 Unsafe 类，利用 Unsafe 类直接调用操作系统底层的 CAS 指令，以下是 Unsafe 类的部分源码

在这里插入图片描述

JUC 包下的 ReentrantLock 类也采用了 CAS 思想，以下是 ReentrantLock 类中的 compareAndSetState 方法的源码（其中 U 是一个 Unsafe 类的实例）

在这里插入图片描述

CAS 是基于乐观锁的思想：乐观地估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算其它线程改了也没关系，吃亏点再重试
synchronized 是基于悲观锁的思想：悲观地估计，得防着其它线程来修改共享变量，上了锁之后其它线程都无法修改，修改完后解开锁，其它线程才有机会修改

2.5 volatile 关键字

在这里插入图片描述

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被 volatile 关键字修饰之后，那么就具备了两层语义：

保证共享变量在线程间的可见性
禁止进行指令重排序

2.5.1 保证共享变量在线程间的可见性

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

我们来看以下代码

在这里插入图片描述

public class ForeverLoop {

    static boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            stop = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：modify stop to true...");
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + stop);
        }, "t2").start();

        new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stop) {
                i++;
            }
            System.out.println("stopped... c:" + i);
        }, "t3").start();
    }

}

大家猜一下，线程 t3 中的死循环会停止吗，我们来看一下控制台的输出

在这里插入图片描述

可以看到，线程 t3 中的死循环不会停止（而且 Java 程序也没有结束运行）

为什么线程 t3 中的死循环不会停止呢，明明线程 t1 成功修改了 stop 变量，而且线程 t2 也成功打印了 stop 变量修改后的值

其实是因为 JVM 虚拟机中的 JIT（Just-In-Time，即时编译器）对代码做了优化，优化后的代码大概如下

在这里插入图片描述

有两种解决方案：

在程序运行的时候添加 VM 参数 -Xint ，禁用即时编译器，但是不推荐，因为其它代码需要使用 JIT
在修饰变量的时候加上 volatile 关键字，告诉 JIT 不要对 volatile 修饰的变量做优化

2.5.2 禁止指令重排序

该部分内容晦涩难懂，请观看视频：禁止指令重排序

用 volatile 修饰的共享变量会在读、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

在这里插入图片描述

volatile使用技巧：

写变量时让 volatile 修饰的变量的在代码最后位置
读变量时让 volatile 修饰的变量的在代码最开始位置

2.6 AQS

在这里插入图片描述

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

2.6.1 AQS 与 synchronized 的区别

synchronized	AQS
关键字，由 C++ 语言实现	由 Java 语言实现
悲观锁，能够自动释放锁	悲观锁，需要手动开启和关闭
锁竞争激烈都是重量级锁，性能差	锁竞争激烈的情况下，提供了多种解决方案

2.6.2 AQS 的常见实现类

ReentrantLock：阻塞式锁
Semaphore：信号量
CountDownLatch：倒计时锁

2.6.3 AQS 的基本工作机制

AQS 内部维护了一个先进先出的双向队列，队列中存储的是排队的线程

在这里插入图片描述

如果多个线程共同去抢 state 资源，如何保证原子性呢？其实也是采用了 CAS 的思想，某个线程一抢到 state 资源就将 state 的值设置为 1

在这里插入图片描述

面试官可能此时又会问了，AQS 是公平锁还是非公平锁？其实 AQS 可以实现公平锁，也可以实现非公平锁，AQS 的不同实现类有不同的方案

那什么是公平锁和非公平锁呢，我们来看一个例子

在这里插入图片描述

线程 0 目前拿到了锁，当线程 0 刚好释放锁的时候，另一个线程 5 刚好也来了

如果新来的线程 5 跟等待队列中的线程争夺锁，就是非公平锁
如果新来的线程 5 加入等待队列中，成为等待队列的最后一个元素，就是非公平锁

在这里插入图片描述

2.7 ReentrantLock 的底层实现原理

在这里插入图片描述

ReentrantLock 翻译过来是可重入锁，相对于 synchronized ，它具备以下特点：

可中断
可以设置超时时间
可以设置公平锁
支持多个条件变量
与 synchronized 一样，都支持重入

ReentrantLock 的基本使用方法

在这里插入图片描述

ReentrantLock 主要利用 CAS + AQS 队列来实现，支持公平锁和非公平锁，ReentrantLock 的构造方法接受一个可选的公平参数，默认非公平锁，我们可以查看 ReentrantLock 类的源码（其中 sync 是 Sync 类的实例，Sync 类继承自 AbstractQueuedSynchronizer 类）

在这里插入图片描述

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的效率高，在许多线程访问的情况下，公平锁表现出较低的吞吐量

ReentrantLock 的实现原理

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，修改成功则让 exclusiveOwnerThread 属性指向当前线程，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
公平锁则体现在按照先后顺序获取锁，非公平体现在不在排队的线程也可以抢锁

2.8 synchronized 和 Lock 有什么区别

2.8.1 语法层面

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

2.8.2 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，例如公平锁、可打断、可超时、多条件变量
Lock 有适合不同场景的实现类，如 ReentrantLock， ReentrantReadWriteLock（读写锁）

注意：使用 lock 方法的锁不是一个可打断的锁，如果想使用可打断的锁，需要使用 lockInterruptibly 方法

2.8.3 性能层面

在没有竞争时，synchronized 做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能算差
在竞争激烈时，Lock类的实现通常会提供更好的性能

以下是一个示例

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

public class ReentrantLockTest {

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

    static Condition firstCondition = REENTRANT_LOCK.newCondition();

    static Condition secondCondition = REENTRANT_LOCK.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 可打断
        lockInterrupt();

        // 可超时
        // timeOutLock();

        // 多条件变量
        // conditionTest();
    }

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

        new Thread(() -> {
            REENTRANT_LOCK.lock();
            try {
                firstCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",acquire lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t2").start();

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

    /**
     * 锁超时
     *
     * @throws InterruptedException 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 (!REENTRANT_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 {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t1");

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

    /**
     * 可打断
     *
     * @throws InterruptedException interruptedException
     */
    public static void lockInterrupt() throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                // 开启可中断的锁
                REENTRANT_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 {
                REENTRANT_LOCK.unlock();
            }
        }, "t1");
        REENTRANT_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 {
            REENTRANT_LOCK.unlock();
        }
    }

}

2.9 死锁产生的条件及排查方案

在这里插入图片描述

一个线程需要同时获取多把锁，就容易发生死锁，我们运行以下示例代码

在这里插入图片描述

package cn.edu.scau.deadlock;


import static java.lang.Thread.sleep;

public class Deadlock {

    public static void main(String[] args) {

        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock A");
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (B) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock B");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-操作...");
                }
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock B");
                try {
                    sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (A) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-lock A");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-操作...");
                }
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }

}