给大家讲讲最新的2020Java五锁机制面试题


前言

锁的原因都是由并发问题发生的,在此我只是写一些面试中可能会问到的问题以及问题的答案,并不是给大家深入的讲解锁机制

一般面试官问都是从一个点引入一个点的问问题,所以我就先从线程问题引入到锁问题

正文

1.说说线程安全问题

线程安全是多线程领域的问题,线程安全可以简单理解为一个方法或者一个实例可以在多线程环境中使用而不会出现问题

在 Java 多线程编程当中,提供了多种实现 Java 线程安全的方式:

最简单的方式,使用 Synchronization 关键字使用 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类,例如 AtomicInteger使用 java.util.concurrent.locks 包中的锁使用线程安全的集合 ConcurrentHashMap使用 volatile 关键字,保证变量可见性(直接从内存读,而不是从线程 cache 读)

2.volatile 实现原理

在 JVM 底层 volatile 是采用“内存屏障”来实现的
缓存一致性协议(MESI协议)它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下:当某个 CPU 在写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,则会通知其他 CPU 告知该变量的缓存行是无效的,因此其他 CPU 在读取该变量时,发现其无效会重新从主存中加载数据
3.synchronize 实现原理

同步代码块是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的,同步方法(在这看不出来需要看 JVM 底层实现)依靠的是方法修饰符上的 ACC_SYNCHRONIZED 实现

4.synchronized 与 lock 的区别

synchronized 和 lock 的用法区别

synchronized(隐式锁):在需要同步的对象中加入此控制,synchronized
可以加在方法上,也可以加在特定代码块中,括号中表示需要锁的对象lock(显示锁):需要显示指定起始位置和终止位置。一般使用 ReentrantLock 类做为锁,多个线程中必须要使用一个
ReentrantLock 类做为对象才能保证锁的生效。且在加锁和解锁处需要通过 lock() 和 unlock()
显示指出。所以一般会在 finally 块中写 unlock() 以防死锁

synchronized 和 lock 性能区别

synchronized 是托管给 JVM 执行的,而 lock 是 Java 写的控制锁的代码。在 JDK 1.5 中,synchronize 是性能低效的。因为这是一个重量级操作,需要调用操作接口,导致有可能加锁消耗的系统时间比加锁以外的操作还多。相比之下使用 Java 提供的 Lock 对象,性能更高一些。但是到了 JDK 1.6,发生了变化。synchronize 在语义上很清晰,可以进行很多优化,有适应自旋,锁消除,锁粗化,轻量级锁,偏向锁等等。导致在 JDK 1.6 上 synchronize 的性能并不比 Lock 差

synchronized 和 lock 机制区别

synchronized 原始采用的是 CPU 悲观锁机制,即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其 他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁
Lock 用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁实现的机制就是 CAS 操作(Compare and Swap)
由此面试官就可能下一个问题就接入到锁的问题上,当然也可能前面的问题回答不上,引入不到锁上,但是面试官想问时会主动问到吧

5.说说悲观锁

悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题,在每次查询时加上排他锁

每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁

6.说说常用的 CAS 乐观锁

CAS 是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。(在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A;如果包含该值,则将 B 放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。”这其实和乐观锁的冲突检查 + 数据更新的原理是一样的

每次查询都不会造成更新丢失,利用版本字段控制

7.说说 CAS ‘ABA’ 问题

CAS 算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,那么在这个时间差类会导致数据的变化

比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A,这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A,并且 two 进行了一些操作变成了 B,然后 two 又将 V 位置的数据变成 A,这时候线程 one 进行 CAS 操作发现内存中仍然是 A,然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功,但是不代表这个过程就是没有问题的,部分乐观锁的实现是通过版本号(version)的方式来解决 ABA 问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都会带上一个版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行 +1 操作,否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加,所以不会出现 ABA 问题,因为版本号只会增加不会减少

8.乐观锁的业务场景及实现方式

乐观锁(Optimistic Lock):

每次获取数据的时候,都不会担心数据被修改,所以每次获取数据的时候都不会进行加锁,但是在更新数据的时候需要判断该数据是否被别人修改过。如果数据被其他线程修改,则不进行数据更新,如果数据没有被其他线程修改,则进行数据更新。由于数据没有进行加锁,期间该数据可以被其他线程进行读写操作
比较适合读取操作比较频繁的场景,如果出现大量的写入操作,数据发生冲突的可能性就会增大,为了保证数据的一致性,应用层需要不断的重新获取数据,这样会增加大量的查询操作,降低了系统的吞吐量
8.简单讲讲自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的,当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区

当一个线程 调用这个不可重入的自旋锁去加锁的时候没问题,当再次调用lock()的时候,因为自旋锁的持有引用已经不为空了,该线程对象会误认为是别人的线程持有了自旋锁
使用了CAS原子操作,lock函数将owner设置为当前线程,并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null,并且预测值为当前线程。
当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空,导致循环一直被执行,直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null,第二个线程才能进入临界区。
由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体,不进行线程状态的改变,所以响应速度更快。但当线程数不停增加时,性能下降明显,因为每个线程都需要执行,占用CPU时间。如果线程竞争不激烈,并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁

题外

本文章限于篇幅只放出了部分资料,近段时间正值找工作的最佳时间,本人将一些各大厂商的面试题和今年(2020)最新资料的收集,以下是部分资料截图(所有资料均已整合成文档,pdf压缩打包处理)。
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