Java面试专题-多线程(3)-原子操作

开篇介绍

大家好，公众号【Java极客思维】近期会整理一些Java高频面试题分享给小伙伴，也希望看到的小伙伴在找工作过程中能够用得到！本章节主要针对Java一些多线程高频面试题进行分享。

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Q1：

什么是CAS算法？

CAS（compare and swap）的缩写。

Java利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成对Java的非阻塞算法，实现原子操作（其实就是自旋操作，不断循环，直到成功）。其它原子操作都是利用类似的特性来完成的。

CAS有三个关键操作值：内存值V、 预期值A 、 要修改的值B 。

当且仅当 预期值A 和 内存值V 一致时，才会将 内存值V 内容修改为 B，否则将什么都不做。

CAS的缺点也很明显：

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，但是却又一直更新不成功，一直在循环（自旋），那么会给CPU带来很大的压力。

CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，这样就不得不使用synchronized关键字进行同步操作了。

比如线程A端了一杯水放在桌子上，但是被其他事调度走了，并且释放了锁，此时线程B经过，看到桌子上的水，端起来喝了半杯，然后又给打满一杯水放在桌子上。此时虽然还是一杯水，但是杯中的水不再是原来的那杯水了，而线程A也忙完了，回头来看到桌子上还是一杯水，但是不知道水已经被替换过了。这就是典型的ABA问题，还有很多类似的场景。这种情况对依赖过程值的情景的运算结果影响很大。这是CAS机制最大的问题所在。

• CPU开销过大

• 不能保证代码块的原子性

• ABA问题

Q2：

什么是AQS？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

AQS是JDK下提供的一套用于实现基于FIFO等待队列的阻塞锁和相关的同步器的一个同步框架。这个抽象类被设计作为一些可用原子int值来表示状态的同步器的基类。

如果有看过类似CountDownLatch类的源码实现，会发现其内部有一个继承了AbstractQueuedSynchronizer的内部类Sync。可见CountDownLatch是基于AQS框架来实现的一个同步器。类似的同步器在JUC下还有不少（比如Semaphore）。

AQS的核心思想是基于volatile int state 这样的volatile变量，配合Unsafe工具对其原子性的操作来实现对当前锁状态进行修改。同步器内部依赖一个FIFO的双向队列来完成资源获取线程的排队工作。

AQS中的数据结构 - 节点和同步队列

节点加入到同步队列

首节点变化

Q3：

volatile关键字有什么用？

Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主内存中，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。主要的原理是使用了内存指令。

• LoadLoad重排序：一个处理器先执行一个L1读操作，再执行一个L2读操作；但是另外一个处理器看到的是先L2再L1；

• StoreStore重排序：一个处理器先执行一个W1写操作，再执行一个W2写操作；但是另外一个处理器看到的是先W2再W1；

• LoadStore重排序：一个处理器先执行一个L1读操作，再执行一个W2写操作；但是另外一个处理器看到的是先W2再L1；

• StoreLoad重排序：一个处理器先执行一个W1写操作，再执行一个L2读操作；但是另外一个处理器看到的是先L2再W1。

Q4：

描述一下volatile关键字对原子性、可见性以及有序性是如何保证的？

在volatile变量写操作的前面会加入一个Release屏障，然后再之后会加入一个Store屏障，这样就可以保证volatile写跟Release屏障之前的任何读写操作都不会指令重排，然后Store屏障保证了，写完数据之后，立马会执行flush处理器缓存的操作。

在volatile变量读操作的前面会加入一个Load屏障，这样就可以保证对这个变量的读取时，如果被别的处理器修改过了，必须得从其他处理器的高速缓存（或者主内存）中加载到自己本地高速缓存里，保证读到的是最新数据；在之后会加入一个Acquire屏障，禁止volatile读操作之后的任何读写操作会跟volatile读指令重排序。

与volatile读写内存屏障对比一下，是类似的意思。

Acquire屏障 其实就是 LoadLoad屏障 + LoadStore屏障；

Release屏障 其实就是 StoreLoad屏障 + StoreStore屏障。

Q5：

简述一下synchronized关键字的原理是什么？

synchronized是由JVM实现的一种实现互斥同步的方式，查看被synchronized关键字修饰过的程序块编译后的字节码会发现：被synchronized修饰过的程序块，在编译前后被编译器生成了monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令。

在虚拟机执行到 monitorenter 指令时，首先会尝试获取对象的锁：如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，把锁的计数器 + 1；

当执行 monitorexit 指令时，将锁计数器 - 1；当计数器为0时，锁就被释放了。如果获取对象失败了，那当前线程就要阻塞等待，知道对象锁被另外一个线程释放为止。

Q6：

CountDownLatch 和 CyclicBarrier的区别？

• CountDownLatch的计数器只能使用一次。而CyclicBarrierd的计数器可以使用reset()方法进行重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新计算一次。

• CyclicBarrier还提供其他有用的方法，比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken() 方法可以用来知道阻塞的线程是否被中断。

• CountDownLatch会阻塞主线程，CyclicBarrier不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。

• CountDownLatch依靠一个外力（计数器、发令枪）来控制线程，而CyclicBarrier是相当于用本身来控制线程。举个例子：

  • CountDownLatch：有一个装满宝石的房间，门外有7把锁，然后有7个人要进入房间组成队伍A，还有另外7个人手里拿着钥匙组成队伍B，那么首先A组的7个人必须等到B组的7个人把钥匙送过来，然后把门外的7把锁分别打开之后，这A组的7个人才能够进入房间拿到宝石。

  • CyclicBarrier：有一个装满宝石的房间，门外也有7把锁，然后7个人必须到另外的一个房间，各自完成一个任务之后，这7个人才能够各自获得一把锁，完成任务之后，这7个人就能够打开那7把锁，进房间拿到宝石。

明天，会介绍多线程一些深入的知识，长按二维码关注我吧~

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