解锁阿里巴巴面试：线程安全专题解读

嗨，各位小伙伴们！在我们日常的编程开发中，面对多线程并发的情景，线程安全是一个至关重要的问题。今天，小米就带大家深入探讨一下"阿里巴巴面试题：线程安全？"这个话题，让我们一起来了解其中的奥秘吧！

乐观锁

Java乐观锁机制

乐观锁，顾名思义，就是对并发情况持乐观态度，认为多个线程之间不会互相干扰，而在更新数据时不加锁，而是通过版本号等机制来确保数据的一致性。在Java中，常见的乐观锁实现方式是利用版本号或时间戳，比如在数据库中常见的乐观锁更新语句如下：

在Java中，乐观锁的典型应用是通过CAS（Compare and Swap）操作来实现，接下来我们就来深入了解CAS思想。

CAS思想

CAS是一种无锁算法，即Compare-and-Swap，它是一种并发原语，用于实现多线程环境下的原子操作。CAS操作包含三个参数：内存地址V、旧的预期值A、新的值B。如果当前内存地址的值等于旧的预期值A，则将内存地址的值更新为新的值B，否则不做任何操作。CAS操作是通过循环比较和替换来实现的，因此也称为乐观锁。

在Java中，java.util.concurrent.atomic 包下提供了一系列基于CAS实现的原子类，比如AtomicInteger 、AtomicLong等，它们能够保证线程安全地进行自增、自减等操作，而不需要加锁。

synchronized

使用方法

在Java中，synchronized 是一种用于实现线程同步的关键字，它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行被锁定的代码块或方法。synchronized有三种常见的使用方法：修饰代码块、修饰方法和修饰静态方法。

• 首先是修饰代码块，我们可以使用synchronized关键字来修饰一段代码块，以确保在同一时刻只有一个线程可以执行该代码块。这种方式的使用场景是当我们需要对某段关键代码进行同步控制，但不需要对整个方法进行同步。
• 其次是修饰方法，我们可以直接在方法声明中使用synchronized关键字，这样整个方法就会被同步控制，保证在同一时刻只有一个线程可以执行该方法。这种方式适用于需要对整个方法进行同步控制的情况。
• 最后是修饰静态方法，与修饰普通方法类似，只不过它是作用于静态方法上的。通过synchronized修饰静态方法，可以保证在同一时刻只有一个线程可以执行该静态方法，无论该方法是否是在不同的实例上调用。

底层原理

接下来，让我们来了解一下synchronized 的底层实现原理。在JVM中，每个对象都有一个关联的监视器（Monitor），当一个线程尝试进入synchronized代码块或方法时，它会尝试获取对象的监视器。如果监视器被其他线程占用，当前线程会被阻塞，直到获取到监视器才能继续执行。监视器的实现通常是基于操作系统的底层同步机制，比如互斥量（Mutex）或信号量（Semaphore）。

ReentrantLock

ReentrantLock （可重入锁）是Java中提供的一种灵活且功能强大的锁，相比于传统的synchronized 关键字，它提供了更多的高级功能。接下来，我们将探讨ReentrantLock 的使用方法、底层实现以及与synchronized的区别。

使用方法

使用ReentrantLock 可以分为三个步骤：创建锁对象、获取锁、释放锁。首先，我们通过ReentrantLock类的构造函数来创建一个锁对象，例如：

然后，在需要同步的代码块中，使用lock() 方法获取锁，执行完关键代码后，使用unlock() 方法释放锁，如下所示：

底层实现

ReentrantLock 的底层实现依赖于AbstractQueuedSynchronizer （简称AQS），它是一个用于构建锁和同步器的框架。ReentrantLock 通过AQS的状态来实现对锁的控制，具体来说，当一个线程调用lock() 方法时，会尝试获取锁，如果锁已经被其他线程持有，则当前线程会被阻塞，直到获取到锁才能继续执行。而unlock() 方法则会释放锁，并唤醒可能正在等待该锁的线程。

与synchronized的区别

• 灵活性：ReentrantLock 相比于synchronized更加灵活，提供了更多的高级功能，比如可中断锁、超时等待、公平锁等。
• 可中断性：ReentrantLock 提供了lockInterruptibly() 方法，可以在等待锁的过程中响应中断，而synchronized不支持中断。
• 条件变量：ReentrantLock 提供了Condition 接口，可以方便地实现条件等待和通知，而synchronized 中的wait() 、notify() 、notifyAll() 需要与Object类一起使用，使用起来相对复杂。
• 性能：ReentrantLock 的性能通常比synchronized 好，尤其是在高并发情况下，因为synchronized 会导致大量线程竞争，而ReentrantLock基于AQS的机制可以更精细地控制锁的获取和释放。
• 可重入性：ReentrantLock 是可重入锁，同一个线程可以多次获得同一把锁，而synchronized也是可重入的，但是重入时不需要显式地去释放锁。
• 可公平性：ReentrantLock 可以选择是否使用公平锁，而synchronized只能使用非公平锁。

公平锁和非公平锁

在多线程环境下，锁的公平性是一个重要的考虑因素。公平锁和非公平锁是两种不同的锁获取策略，它们在同步控制的时候有着不同的行为和特点。

公平锁

公平锁会按照线程请求锁的顺序来获取锁，即先到先得。这种锁获取策略确保了线程的公平性，所有线程都有公平竞争的机会，避免了饥饿现象的发生。然而，公平锁也存在一些缺点，其中包括：

• 优点：
• • 公平性：保证所有线程能够按照请求锁的顺序获取锁，避免了线程长时间等待的情况，公平性好。
• • 避免饥饿：能够避免某些线程永远无法获取锁的情况，确保所有线程都有机会获取锁资源。
• 缺点：
• • 效率低：由于公平锁需要维护一个等待队列来记录等待获取锁的线程，因此会增加额外的开销，降低锁的获取和释放的效率。
  • 可能引起线程切换：在高并发情况下，公平锁可能会引起大量线程之间的上下文切换，导致系统负载增加。

非公平锁

非公平锁没有任何的公平保证，它允许当前线程在获取锁时直接尝试获取锁，而不考虑其他等待线程的情况。这种策略可能会导致某些线程长时间等待，或者某些线程频繁地获取到锁资源，引发"线程饥饿"问题。然而，非公平锁也有其优点和适用场景：

• 优点：

• • 效率高：由于非公平锁不需要维护等待队列，线程可以直接尝试获取锁，因此减少了额外的开销，提高了锁的获取和释放效率。
• • 简单快速：非公平锁的实现相对简单，因此在某些情况下能够更快速地实现同步控制。
• 缺点：
• • 不公平：可能会导致某些线程长时间等待，或者某些线程频繁地获取到锁资源，降低了系统的公平性。
• • 可能引起线程饥饿：某些线程可能会长时间等待，无法获取到锁资源，导致线程饥饿的情况。

公平锁效率低的原因

• 维护等待队列开销大： 公平锁需要维护一个等待队列来记录等待获取锁的线程，而维护队列需要耗费额外的时间和空间开销。
• 可能引起大量线程切换： 在高并发情况下，公平锁可能会引起大量线程之间的上下文切换，因为每个线程都需要按照请求锁的顺序来获取锁，这会增加系统负载，降低效率。

使用层面锁优化

在多线程编程中，锁是保障线程安全的重要工具，但过度使用锁可能会导致性能问题。因此，我们需要在使用锁时进行一些优化，以提高程序的并发性能和响应速度。以下是一些常见的使用层面锁优化策略：

• 减少锁的时间： 锁的持有时间越短，就越不会阻塞其他线程对共享资源的访问，因此可以通过减少锁的持有时间来提高程序的并发性能。例如，尽量避免在锁内部进行耗时的操作，或者将锁的范围缩小到最小必要范围。
• 减少锁的粒度： 如果一个方法内部有多个临界区，可以考虑将每个临界区分别使用不同的锁，以减少锁的竞争。这样可以提高并发性能，减少线程等待的时间。
• 锁粗化： 锁粗化是指将多个连续的锁操作合并为一个大的锁操作，从而减少锁操作的次数，提高性能。例如，如果一个线程在短时间内多次对同一个锁进行加锁和解锁操作，可以将这些操作合并为一个大的锁操作。
• 使用读写锁： 读写锁是一种特殊的锁机制，允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。这样可以提高读取操作的并发性能，减少读取操作的等待时间。但要注意，写入操作仍然需要独占锁，可能会影响性能。
• 使用CAS（Compare and Swap）： CAS是一种无锁算法，可以用来实现原子操作。相比于传统的锁机制，CAS操作不会阻塞线程，因此可以提高并发性能。但要注意，CAS操作可能会引发ABA问题，需要额外的处理。
• 无锁： 无锁编程是一种更加高级的并发编程技术，它不依赖于锁机制来保护共享资源的访问。常见的无锁数据结构包括无锁队列、无锁栈等。无锁编程可以避免锁的竞争和线程阻塞，从而提高程序的并发性能。但无锁编程也更加复杂，需要处理更多的并发情况。

系统层面锁优化

在系统层面对锁进行优化是提高并发性能的重要手段之一。以下是一些常见的系统层面锁优化策略：

• 自适应自旋锁： 自旋锁是一种轻量级锁，当一个线程尝试获取锁时，如果锁已被其他线程持有，该线程不会立即被阻塞，而是会进入自旋等待状态，不断地尝试获取锁。自适应自旋锁是指根据当前锁的竞争情况动态调整自旋等待的次数，以达到最佳的性能表现。例如，如果锁竞争激烈，自旋等待的次数可以逐渐增加，以减少线程阻塞的时间；反之，如果锁竞争不激烈，可以逐渐减少自旋等待的次数，以降低额外开销。
• 锁消除： 锁消除是一种编译器优化技术，用于消除不必要的锁操作。在编译器分析代码时，如果发现某个锁只会被一个线程持有，并且不会被其他线程访问，就可以将该锁消除，以减少锁的竞争和额外开销。例如，在一些局部变量上使用了锁，但是分析发现这些变量在多线程环境下不会共享，可以将锁消除。
• 锁升级： 锁升级是指将锁从低级别升级到高级别，以提高并发性能。在Java中，锁的级别包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。当一个线程尝试获取偏向锁时，如果发现有其他线程正在竞争锁，就会升级为轻量级锁；当轻量级锁竞争激烈时，就会升级为重量级锁。锁升级的过程会增加额外的开销，但可以减少线程竞争，提高并发性能。

这些系统层面的锁优化策略可以在一定程度上提高程序的并发性能和响应速度。然而，需要注意的是，锁优化并不是银弹，不适用于所有情况，有时候甚至可能会引入新的问题。 因此，在进行锁优化时，需要根据具体情况进行权衡和选择，并且进行充分的测试和验证，以确保系统的稳定性和正确性。

ThreadLocal

在多线程编程中，我们经常会遇到需要在每个线程中保存独立副本的数据，这时就可以使用ThreadLocal。ThreadLocal提供了一种简单的方法，可以在每个线程中创建独立的变量副本，避免了线程间的数据共享问题。

ThreadLocal原理

ThreadLocal基于一个特殊的内部数据结构，每个Thread对象内部都有一个ThreadLocalMap，用于存储线程本地变量。ThreadLocalMap中的键是ThreadLocal对象，值是线程的本地变量副本。当通过ThreadLocal的get()方法获取线程本地变量时，实际上是在当前线程的ThreadLocalMap中查找对应的值；当通过set()方法设置线程本地变量时，实际上是在当前线程的ThreadLocalMap中插入或更新键值对。

如何使用

使用ThreadLocal非常简单，只需要创建一个ThreadLocal对象，并重写initialValue()方法来指定线程本地变量的初始值。然后通过ThreadLocal的get()和set()方法来访问和修改线程本地变量。

ThreadLocal内存泄漏的场景

虽然ThreadLocal可以避免线程间数据共享的问题，但如果使用不当，也容易引发内存泄漏问题。常见的内存泄漏场景包括：

• 线程池场景： 在使用线程池时，如果没有手动调用ThreadLocal的remove()方法清除线程本地变量，会导致线程池中的线程一直持有对应的ThreadLocal变量，而不会释放，从而造成内存泄漏。
• Web应用场景： 在Web应用中，如果将ThreadLocal作为静态变量存储在某个类中，并且没有及时清理ThreadLocal中的值，可能会导致线程长时间持有对应的ThreadLocal变量，从而造成内存泄漏。

为了避免ThreadLocal内存泄漏，我们可以在不需要使用ThreadLocal变量时手动调用remove()方法清除变量，或者使用try-with-resources语句来确保在使用完ThreadLocal后及时清理变量。

HashMap线程安全

在多线程环境下，HashMap并不是线程安全的数据结构，因为它的内部结构是基于数组和链表（或红黑树）组成的，当多个线程同时对HashMap进行读写操作时，可能会导致数据结构被破坏，进而引发各种并发问题。为了解决这个问题，Java提供了ConcurrentHashMap来实现线程安全的HashMap。

在HashMap中，当多个线程同时对其进行写操作时，可能会导致链表形成环形，造成死循环，从而使CPU占用率飙升至100%。这种情况通常发生在两个线程同时对HashMap进行扩容操作时，其中一个线程在扩容过程中将某个节点的next指针指向了自己，导致链表形成了环形。

为了避免HashMap死循环造成CPU占用率飙升的问题，可以采取以下措施：

• 使用线程安全的Map替代HashMap： 如ConcurrentHashMap，它是线程安全的，并且采用了分段锁的机制来提高并发性能。
• 尽量避免在多线程环境下对HashMap进行写操作： 如果需要在多线程环境下对HashMap进行读写操作，可以使用读写锁来保护HashMap，或者使用并发容器来替代HashMap。
• 避免使用HashMap的putAll方法： 当多个线程同时调用putAll 方法向HashMap中添加元素时，可能会导致链表形成环形，造成死循环。可以考虑使用putIfAbsent方法来避免这个问题。
• 注意并发安全性： 在编写多线程程序时，要注意并发安全性，尽量避免出现多线程竞争的情况，以免引发各种并发问题。

String不可变原因

String 类在 Java 中是不可变的，即一旦创建就不能被修改。这种设计带来了许多好处，包括：

• 线程安全性： 字符串常量是共享的，多个线程之间可以共享字符串对象而不需要担心数据竞争和同步问题。
• 安全性： 不可变性可以防止在传递字符串时意外修改其值，保护了程序的安全性。
• 缓存哈希值： 因为字符串是不可变的，所以可以缓存字符串的哈希值，提高了字符串的哈希性能。
• 字符串池： 字符串池是 Java 中的一种特性，可以在运行时节省内存，因为相同内容的字符串只会在内存中保存一份。
• 优化字符串拼接操作： 字符串拼接操作（例如使用 '+' 运算符）会频繁创建新的字符串对象，如果字符串是可变的，那么每次拼接都需要创建新的对象，而不可变的字符串可以共享相同的底层字符数组，减少了内存消耗和对象创建的开销。

END

总的来说，线程安全是多线程编程中的一个重要问题，我们可以通过乐观锁、悲观锁、CAS操作、同步锁等方式来保证线程安全，同时在代码编写和系统设计上做好相应的优化，从而提高系统的并发能力和性能。希望本篇文章对大家有所启发，如果有任何疑问或者想要深入了解的话题，欢迎留言交流哦！

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