常见面试题之线程中并发锁（二）

1. 什么是`AQS`？

1.1. 概述

全称是AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架，它是构建锁或者其他同步组件的基础框架

AQS与Synchronized的区别

`synchronized`	`AQS`
关键字，`c++`语言实现	`java`语言实现
悲观锁，自动释放锁	悲观锁，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

AQS常见的实现类

ReentrantLock 阻塞式锁
Semaphore 信号量
CountDownLatch 倒计时锁

1.2. 工作机制

在AQS中维护了一个使用了volatile修饰的state属性来表示资源的状态，0表示无锁，1表示有锁
提供了基于FIFO的等待队列，类似于Monitor的EntryList
条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于Monitor的WaitSet

在这里插入图片描述

线程0来了以后，去尝试修改state属性，如果发现state属性是0，就修改state状态为1，表示线程0抢锁成功
线程1和线程2也会先尝试修改state属性，发现state的值已经是1了，有其他线程持有锁，它们都会到FIFO队列中进行等待，
FIFO是一个双向队列，head属性表示头结点，tail表示尾结点

如果多个线程共同去抢这个资源是如何保证原子性的呢？

在这里插入图片描述

在去修改state状态的时候，使用的cas自旋锁来保证原子性，确保只能有一个线程修改成功，修改失败的线程将会进入FIFO队列中等待

AQS是公平锁吗，还是非公平锁？

新的线程与队列中的线程共同来抢资源，是非公平锁
新的线程到队列中等待，只让队列中的head线程获取锁，是公平锁

比较典型的AQS实现类ReentrantLock，它默认就是非公平锁，新的线程与队列中的线程共同来抢资源

2. `ReentrantLock`的实现原理

2.1. 概述

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

在这里插入图片描述

2.2. 实现原理

ReentrantLock主要利用CAS+AQS队列来实现。它支持公平锁和非公平锁，两者的实现类似

构造方法接受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。

查看ReentrantLock源码中的构造方法：

在这里插入图片描述

提供了两个构造方法，不带参数的默认为非公平

如果使用带参数的构造函数，并且传的值为true，则是公平锁

其中NonfairSync和FairSync这两个类父类都是Sync

在这里插入图片描述

而Sync的父类是AQS，所以可以得出ReentrantLock底层主要实现就是基于AQS来实现的

在这里插入图片描述

工作流程

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，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

3. `synchronized`和`Lock`有什么区别 ?

参考回答

语法层面
- synchronized是关键字，源码在jvm中，用c++语言实现
- Lock是接口，源码由jdk提供，用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
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，例如获取等待状态、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，如ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock
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，性能不赖
- 在竞争激烈时，Lock的实现通常会提供更好的性能

4. 死锁产生的条件是什么？

死锁：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

例如：

t1线程获得A对象锁，接下来想获取B对象的锁

t2 线程获得B对象锁，接下来想获取A对象的锁

代码如下：

package com.dcxuexi.basic;

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("lock A");
                try {
                    sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (B) {
                    System.out.println("lock B");
                    System.out.println("操作...");
                }
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                System.out.println("lock B");
                try {
                    sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (A) {
                    System.out.println("lock A");
                    System.out.println("操作...");
                }
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

控制台输出结果

在这里插入图片描述

此时程序并没有结束，这种现象就是死锁现象…线程t1持有A的锁等待获取B锁，线程t2持有B的锁等待获取A的锁。

5. 如何进行死锁诊断？

当程序出现了死锁现象，我们可以使用jdk自带的工具：jps和jstack

步骤如下：

第一：查看运行的线程

在这里插入图片描述

第二：使用jstack查看线程运行的情况，下图是截图的关键信息

运行命令：jstack -l 46032

在这里插入图片描述

其他解决工具，可视化工具

jconsole

用于对jvm的内存，线程，类的监控，是一个基于jmx的GUI性能监控工具

打开方式：java安装目录bin目录下直接启动jconsole.exe就行

VisualVM：故障处理工具

能够监控线程，内存情况，查看方法的CPU时间和内存中的对象，已被GC的对象，反向查看分配的堆栈

打开方式：java安装目录bin目录下直接启动jvisualvm.exe就行

6. `ConcurrentHashMap`

ConcurrentHashMap是一种线程安全的高效Map集合

底层数据结构：

JDK1.7底层采用分段的数组+链表实现
JDK1.8采用的数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。

6.1. `JDK1.7`中`concurrentHashMap`

数据结构

在这里插入图片描述

提供了一个segment数组，在初始化ConcurrentHashMap的时候可以指定数组的长度，默认是16，一旦初始化之后中间不可扩容
在每个segment中都可以挂一个HashEntry数组，数组里面可以存储具体的元素，HashEntry数组是可以扩容的
在HashEntry存储的数组中存储的元素，如果发生冲突，则可以挂单向链表

存储流程

在这里插入图片描述

先去计算key的hash值，然后确定segment数组下标
再通过hash值确定hashEntry数组中的下标存储数据
在进行操作数据的之前，会先判断当前segment对应下标位置是否有线程进行操作，为了线程安全使用的是ReentrantLock进行加锁，如果获取锁是被会使用cas自旋锁进行尝试