Java并发常见面试题（三）

news2024/11/25 9:28:12

并发编程三大特性

原子性

一次操作或者多次操作，要么所有的操作都得到执行并且不受任何因素的干扰而中断，要么都不会执行。

在 Java 中，可以借助synchronized 、各种 Lock 以及各种原子类实现原子性。

synchronized 和各种 Lock 可以保证任一时刻只有一个线程访问该代码块，因此可以保障原子性。
各种原子类是利用 CAS (compare and swap) 操作（可能也会用到 volatile或者final关键字）来保证原子操作。

可见性

一个线程对共享变量进行修改，其他线程可以立即看到修改后的最新值。

在 Java 中，可以借助synchronized 、volatile 以及各种 Lock 实现可见性。

如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

有序性

为了提高执行效率，程序在编译或者运行的时候会对代码进行指令重排序。指令重排序可以保证串行语义一致即在单线程中保证最终一致性，但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

在 Java 中，volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

volatile 关键字

volatile 关键字作用

  1. 保证变量可见性（可见性）
  2. 禁止指令重排序（有序性）

如何保证变量可见性？

在 Java 中，volatile 关键字可以保证变量的可见性，如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

volatile 关键字其实并非是 Java 语言特有的，在 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。如果我们将一个变量使用 volatile 修饰，这就指示 编译器，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

在这里插入图片描述

如何禁止指令重排序？

在 Java 中，volatile 关键字除了可以保证变量的可见性，还有一个重要的作用就是防止 JVM 的指令重排序。 如果我们将变量声明为 volatile ，在对这个变量进行读写操作的时候，会通过插入特定的 内存屏障 的方式来禁止指令重排序。

内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种 CPU 指令，用来禁止处理器指令发生重排序（像屏障一样），从而保障指令
执行的有序性。另外，为了达到屏障的效果，它也会使处理器写入、读取值之前，将主内存的值写入高速缓存，清空无效队列，从而保障变量的可见性。

实际案例——双重检测锁实现单例模式

单例模式是指在内存中只会创建且仅创建一次对象的设计模式。在程序中多次使用同一个对象且作用相同时，为了防止频繁地创建对象使得内存飙升，单例模式可以让程序仅在内存中创建一个对象，让所有需要调用的地方都共享这一单例对象。

总结：单例模式顾名思义就是单例类只能有一个实例，且该类需自行创建这个实例，并对其他的类提供调用这一实例的方法。

public class SingletonByDoubleCheckLock {

    /**
     * 私有实例,初始化的时候不加载（延迟加载/懒加载）,使用volatile关键字,禁止指令重排序
     */
    private volatile static SingletonByDoubleCheckLock singleton;

    /**
     * 私有构造
     */
    private SingletonByDoubleCheckLock(){}

    /**
     * 唯一公开获取实例的方法
     *
     * @return
     */
    public static SingletonByDoubleCheckLock getInstance() {
        if (singleton == null) {  // 线程A和线程B同时看到singleton = null，如果不为null，则直接返回singleton
            synchronized(SingletonByDoubleCheckLock.class) { // 线程A或线程B获得该锁进行初始化
                if (singleton == null) { // 其中一个线程进入该分支，另外一个线程则不会进入该分支
                    singleton = new SingletonByDoubleCheckLock();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

}

关于单例模式以及为什么这样实现的详解解读，请移步观看我的另一篇博客——Java常见设计模式总结——单例模式

volatile 可以保证原子性么？

volatile 关键字能保证变量的可见性，但不能保证对变量的操作是原子性的。

代码测试

public class VolatileAtomicityTest {
    public volatile static int num = 0;

    public void increase() {
        num++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        VolatileAtomicityTest volatileAtomicityTest = new VolatileAtomicityTest();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            threadPool.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 500; j++) {
                    volatileAtomicityTest.increase();
                }
            });
        }

        // 等待1.5秒，保证上面程序执行完成
        Thread.sleep(1500);

        System.out.println(num);

        threadPool.shutdown();
    }
}

如果volatile关键字可以保证变量操作的原子性，那么上述代码的运行结果应该是2500，但实际运行结果总是小于2500。

num++ 其实是一个复合操作，包括三步：

  1. 读取 num 的值。
  2. 对 num 加 1。
  3. 将 num 的值写回内存。

volatile 是无法保证这三个操作是具有原子性的，有可能导致下面这种情况出现：

  1. 线程 1 对 num = 1 进行读取操作之后，还未对其进行修改。线程 2 又读取了 num = 1 的值并对其进行修改（+1），然后将 num = 2 的值写回内存。
  2. 线程 2 操作完毕后，线程 1 对 num = 1 （在线程2没有操作之前读取到的） 的值进行修改（+1），然后将 num = 2 的值写回内存。
  3. 这也就导致两个线程分别对 num 进行了一次自增操作后，num 实际上只增加了 1，即最终 num = 2。

代码改进

方案一：使用 syncronized 关键字改进
public synchronized void increase() {
    num++;
}
方案二：使用 AtomicInteger 改进
public static AtomicInteger num = new AtomicInteger();

public void increase() {
    num.getAndIncrement();
}
方案三：使用 ReentrantLock 改进
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() {
    lock.lock();
    try {
        num++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

synchronized 关键字

说一说你对 synchronized 关键字的理解？

synchronized 翻译成中文是同步的的意思，主要解决的是多个线程之间访问资源的同步性，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。

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。

不过，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。所以，你会发现目前的话，不论是各种开源框架还是 JDK 源码都大量使用了 synchronized 关键字。

如何使用 synchronized 关键字

应用场景总结

  1. 作用于非静态方法，锁住的是对象实例（this），每一个对象实例有一个锁。
public synchronized void method() {}
  1. 作用于静态方法，锁住的是类的 Class 对象，Class 对象全局只有一份，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程。
public static synchronized void method() {}
  1. 作用于 Lock.class，锁住的是 Lock 的 Class 对象，也是全局只有一个。
synchronized (Lock.class) {}
  1. 作用于 this，锁住的是对象实例，每一个对象实例有一个锁。
synchronized (this) {}
  1. 作用于静态成员变量，锁住的是该静态成员变量对象，由于是静态变量，因此全局只有一个。
public static Object monitor = new Object(); 
synchronized (monitor) {}

总结：

  1. 必须有“对象”来充当“锁”的角色。
  2. 对于同一个类来说，通常只有两种对象来充当锁：实例对象、Class 对象（一个类全局只有一份）。
    • Class 对象：静态相关的都是属于 Class 对象，还有一种直接指定 Lock.class。
    • 实例对象：非静态相关的都是属于实例对象

最主要的三种应用场景

  1. 修饰实例方法

  2. 修饰静态方法

  3. 修饰代码块

1、修饰实例方法 （锁当前对象实例）

给当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁 。


synchronized void method() {
    //业务代码
}

2、修饰静态方法 （锁当前类）

给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例 ，进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。

这是因为静态成员不属于任何一个实例对象，归整个类所有，不依赖于类的特定实例，被类的所有实例共享。

synchronized static void method() {
    //业务代码
}

静态 synchronized 方法和非静态 synchronized 方法之间的调用互斥么？不互斥！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。

3、修饰代码块 （锁指定对象/类）

对括号里指定的对象/类加锁：

  • synchronized(object) 表示进入同步代码库前要获得 给定对象的锁。
  • synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 给定 Class 的锁
synchronized() {
    //业务代码
}

总结：

  • synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(类.class) 代码块上都是是给 Class 类上锁；
  • synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁；
  • 尽量不要使用 synchronized(String a) 因为 JVM 中，字符串常量池具有缓存功能。

构造方法可以使用 synchronized 关键字修饰么？

构造方法不能使用 synchronized 关键字修饰。

构造方法本身就属于线程安全的，不存在同步的构造方法一说。

讲一下 synchronized 关键字的底层原理

synchronized 关键字底层原理属于 JVM 层面。

synchronized 同步语句块的情况

public class TestA {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}

翻译成字节码：

public method()V
    TRYCATCHBLOCK L0 L1 L2 null
    TRYCATCHBLOCK L2 L3 L2 null
   L4
    LINENUMBER 5 L4
    ALOAD 0
    DUP
    ASTORE 1
    MONITORENTER 
   L0
    LINENUMBER 6 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    LDC "synchronized \u4ee3\u7801\u5757"
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
   L5
    LINENUMBER 7 L5
    ALOAD 1
    MONITOREXIT
   L1
    GOTO L6
   L2
   FRAME FULL [com/lzl/algorithm/test12/TestA java/lang/Object] [java/lang/Throwable]
    ASTORE 2
    ALOAD 1
    MONITOREXIT
   L3
    ALOAD 2
    ATHROW
   L6
    LINENUMBER 8 L6
   FRAME CHOP 1
    RETURN
   L7
    LOCALVARIABLE this Lcom/lzl/algorithm/test12/TestA; L4 L7 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 3

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 对象监视器 monitor 的持有权。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中，Monitor 是基于 C++实现的，由ObjectMonitor实现的。每个对象中都内置了一个 ObjectMonitor对象。

另外，wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，
否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因

在执行monitorenter时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。
在这里插入图片描述
对象锁的的拥有者线程才可以执行 monitorexit 指令来释放锁。在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放，其他线程可以尝试获取锁。

在这里插入图片描述
如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被拥有锁的线程释放为止。

synchronized 修饰方法的的情况

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

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

public synchronized void method();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String synchronized 鏂规硶
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8

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。

如果是实例方法，JVM 会尝试获取实例对象的锁。如果是静态方法，JVM 会尝试获取当前 class 的锁。

总结

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。

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。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

JDK1.6 之后的 synchronized 关键字底层做了哪些优化？

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。

这几种优化的详细信息可以查看这篇文章——Java6 及以上版本对 synchronized 的优化。

synchronized 和 volatile 的区别

synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，而不是对立的存在。

  • volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以 volatile性能肯定比synchronized关键字要好 。但是 volatile 关键字只能用于变量而 synchronized 关键字可以修饰方法以及代码块 。
  • volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。
  • volatile关键字主要用于解决变量在多个线程之间的可见性，而 synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

synchronized 和 ReentrantLock 的区别

两者都是可重入锁

“可重入锁” 指的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，如果是不可重入锁的话，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。

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 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：

  • 等待可中断 : 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。
  • 可实现公平锁 : 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。
  • 可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）: 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。

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