面试【JAVA基础】锁

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1、锁状态

锁的状态只能升级不能降级。

• 无锁
  
  没有锁对资源进行锁定，所有线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。其他修改失败的线程会不断重试，直到修改成功，如CAS原理和应用是无锁的实现。
• 偏向锁
  
  偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程访问，那个该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
• 轻量级锁
  
  是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。通过cas操作和自旋来解决加锁问题，自旋超过一定的次数或者已经有一个线程在自旋，又来一个线程获取锁时，轻量级锁会升级为重量级锁。
• 重量级锁
  
  升级为重量级锁，等待锁的线程都会进入阻塞状态。

2、乐观锁与悲观锁

1. 乐观锁，每次拿数据的时候认为别人都不会修改，在更新的时候再判断在此期间有没有更新数据，可以使用版本号等机制，适合读取多场景，提高性能。
2. 悲观锁，每次拿数据都认为别人会修改，都会上锁，可以使用synchronized、独占锁Lock、读写锁等机制，适合写多的场景，保证写入操作正确。

3、自旋锁与适应性自旋锁

• 自旋锁：指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其他线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断判断锁是否能获取成功，直到获取到锁才退出循环。
  
  优点：线程不进行上下文切换，减少了上下文切换的时间。
  
  存在的问题：如果线程持有锁的时间较长，其他线程进入循环，消耗cpu。
• 自适应自旋锁：指的是自旋的时间不固定，由前一个在同一个锁上自旋的时间和锁拥有者的状态来决定。如果在同一个对象上，刚刚通过自旋成功获取过锁，且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋很有可能再次成功。反之自旋操作很少成功获取锁，那么后面获取这个锁可能直接省略掉自旋的过程，直接阻塞线程。

4、公平锁与非公平锁

1. 公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序直接进入队列排队，队列中的第一个线程才能获取锁。
2. 非公平锁是指线程先尝试获取锁，获取不到进入队列中排队，如果能获取到，则无需阻塞直接获取锁。

5、重入锁与非重入锁

重入锁：同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁，前提是锁对象是相同的。

6、共享锁与排他锁

1. 共享锁是指一个锁可以被多个线程锁持有。
2. 排它锁或者叫独享锁或者互斥锁 指锁一次只能被一个线程所持有。

7、读写锁

1. 读锁是共享的，写锁是独占的。
2. 读读之间不会互斥，读写互斥，写写互斥，读写锁提高了读的性能。

8、CAS

CompareAndSwap比较与交换，是一种无锁算法，原子类使用了CAS实现了乐观锁。

带来的问题:

1. ABA问题
   
   解决思路在变量前面加版本号，每次变量更新的时候都将版本号 1，每次更新的时候要求版本>=当前版本(AtomicStampedReference)

2. 循环时间长开销大，CAS操作如果长时间执行不成功，会导致其一直自旋，cpu消耗大。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作。
   
   可以把多个变量放在一个对象里面进行CAS操作。

9、锁优化

9.1、锁升级

1. 偏向锁的升级
   
   线程A获取锁对象时，会在java对象头和栈帧中记录偏向的线程A的id，线程A再次获取锁时，只需要比较java头中的线程id与当前Id是否相等，如果一致则无需通过cas加锁解锁。如果不一致，说明有线程B来获取锁，那么要判断java头中偏向锁的线程是否存活，如果没有存活，锁对象被置为无锁状态，线程B可将锁对象置为B的偏向锁。如果存活，则查看A是否还需要继续持有对当前锁，如果不需要持有，则将锁置为无锁状态，偏向新的线程，如果还继续持有锁对象，则暂停A线程，撤销偏向锁，将锁升级为轻量级锁。
2. 轻量级锁的升级
   
   线程A获取轻量级锁时会把锁的对象头复制到自己的线程栈针中，然后通过cas把对象头中的内容替换为A所记录的地址。此时线程B也想获取锁，发现A已经获取锁，那么线程B就自旋等待。等到自旋次数到了或者线程A正在执行，线程B自旋等待，此时来了线程C来竞争锁对象，这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会把未获得到锁对象的线程全部变为阻塞状态该，防止cpu空转。

9.2、锁粗化

将多个连续的加锁，解锁操作连接在一起，扩展成为一个范围更大的锁，避免频繁的加解锁操作。

9.3、锁消除

通过逃逸分析，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁。

10、synchronized底层实现

• synchronized通过Monitor实现同步，Monitor依赖于底层操作系统互斥锁来实现线程同步。
• java对象头是由markword(标记字段)和klass point(类型指针)组成。markword存储对象的hashcode，分代年龄和锁标志位信息。Klass point 指向对象元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定对象是哪个类的实例。
• synchronized修饰同步代码块，是使用monitorenter和monitorexit来控制的，通过java对象头中的锁计数器。
• 修饰方法时会将方法标识为ACCSYNCHRONIZE,JVM通过这个标志来判断方法是不是同步方法。

11、synchronized与ReentrantLock的区别

1. 两者都是悲观锁，可重入锁。
2. ReentrantLock 可中断，可以实现公平锁，可以绑定多个条件。
3. ReentrantLock需要显示的调用锁和释放锁，synchronized属于java关键字，不需要显式的释放。

12、volatile关键字

1. 保证变量内存可见。
2. 禁止指令重排序。

volatile和synchronized的区别：

• volatile不会阻塞，synchronized会阻塞。
• volatile保证数据的内存可见性但不能保证原子性，synchronized两者都能保证。
• volatile主要解决变量在线程之间的可见性，而synchronized主要解决多线程访问资源的同步性。

13、Atomic原子类实现

使用cas操作 volatile native方法保证同步。

14、AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)内部维护的是一个FIFO的双向同步队列，如果当前线程竞争锁失败，AQS会把当前线程以及等待状态信息构造成一个Node加入到同步队列中，同时在阻塞该线程。当获取锁的线程释放锁以后，会从队列中唤醒一个阻塞的节点线程。使用内部的一个state来控制是否获取锁，当state=0时表示无锁状态，state>0时表示已经有线程获取了锁。

15、AQS的组件

1. semaphore 可指定多个线程同时访问某个共享资源。
2. countDownLatch 一个线程A等待其他线程执行完成之后才继续执行。
3. cyclicBarrier 一组线程等待至某个状态之后同时执行。

countDownLatch和CyclicBarrier的区别

1. countDownLatch是一个线程等一组线程执行完成之后才执行， cyclicBarrier是一组线程互相等待至某个状态之后，同时执行。
2. countDownLatch不能复用，cyclicBarrier可以重用。

16、锁降级

锁降级是指将写锁降级为读锁，这个过程就是当前线程已经获取到写锁的时候，再获取到读锁，随后释放写锁的过程，这么做的目的为的就是保证数据的可见性。

17、逃逸分析

1. 逃逸分析就是分析对象的动态作用域，当一个对象在方法中被定义后，他可能被外部方法所引用，作为参数传递到其他方法中，成为方法逃逸，赋值给类变量或者可以被其他线程访问的实例变量成为线程逃逸。
2. 使用逃逸分析，编译器可以对代码做优化。比如：同步省略(锁消除)，将堆分配转化为栈分配，标量替换。
3. 使用逃逸分析的缺点，没法保证逃逸分析的性能一定高于其他性能。极端的话经过逃逸分析后，所有的对象都逃逸了，那么逃逸分析的过程就浪费了。