Java面试——锁

程序猿进阶2024-02-27 18:33

​

公平锁： 是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，有点先来后到的意思。在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照 FIFO 的规则从队列中取到自己。

非公平锁： 指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，上来就尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁的方式获取锁。有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发的情况下，有可能会造成优先级反转或者饥饿现象。

ReentrantLock：并发包中ReentrantLock的创建可以指定构造函数的boolean类型来得到公平锁或非公平锁，默认是false（非公平锁）。非公平的优点在于吞吐量比公平锁大。对于Synchronized锁也是一种非公平锁。

可重入锁（又名递归锁）： 指同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能获取该锁的代码。也就是说，线程可以进入任何一个它已经拥有的锁，所同步的代码块。synchronized和unlock都是可重入锁。

java 复制代码 
//简单理解，就是方法1 是一个同步方法，里面包含了一个方法2 也是同步方法，但是当进入方法1后，也就获得了方法2的锁，即可重入锁
public synchronized void method1(){
	System.out.println("方法1 synchronized");
	method2();
}

public synchronized  void method2(){
	System.out.printf("方法2 synchronized");
}

自旋锁： 是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式尝试获取锁，这样的好处是减少了上下文切换的消耗，确定是循环会消耗CPU。循环比较直到成功为止。

java 复制代码 
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4){
    int var5;
    do{
        //根据对象和地址偏移量获取内存中的值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    //将获取到的值 var5 传入，此方法内部会先比较var2地址的值是否等于 var5，相等则修改var5值并返回，否则重新进入循环。
    }while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
}

手写一个自旋锁： 思想就是通过while中的循环条件来充当锁，当条件成立时，表示未获得锁，进行死循环，直到while条件不成立，也就是获得锁。就退出死循环，执行业务逻辑。具体查看如下代码：

java 复制代码 
public class Test {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		/*执行结果展示：  AA   myLock
						BB   myLock
						AA    unLock
						BB    unLock
		 *  分析：我们 AA 线程休眠了 5秒足以让 BB 线程执行结束，那为什么 BB 执行到 myLock 之后就没有继续执行呢。
		 *  其实，BB 一直执行着，只不过陷入了 while 死循环中，因为 AA 将线程置为非空。
		 *  等到 5 秒后，AA unlock 重新将线程=null时，BB 获取线程并执行任务。over
		 */
		Test test = new Test();
		new Thread(()->{
				test.myLock();
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				test.unLock();
			},"AA").start();

			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

			new Thread(()->{
				test.myLock();
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				test.unLock();
			},"BB").start();
	}

	//对线程保证原子性
	AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
	//获取锁，其实质，将锁看做一个条件判断，只要这个判断能够保证线程安全即可。
	//如下：我们将线程是否为空作为条件，如果是空的就没锁，自己可以对其加锁，将其值设为自己。
	//如果使用完，使用unlock 将线程设置为 null，其他线程通过判断来获得锁，其实就像一种约定而已。
	public void myLock(){
		Thread thread = Thread.currentThread();
		System.out.println(thread.getName()+"   myLock");
		while (!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){
		   
		}
	}
	
	//释放锁
	public void unLock(){
		Thread thread = Thread.currentThread();
		atomicReference.compareAndSet(thread,null);
		System.out.println(thread.getName()+"    unLock");
	}
}

自旋锁的优点主要包括：

【1】减少线程阻塞：对于锁竞争不激烈且锁占用时间短暂的情况，自旋锁能够显著提高性能，因为它减少了线程因阻塞而产生的上下文切换开销。

【2】避免内核态切换：与非自旋锁相比，自旋锁在尝试获取锁失败时会继续执行循环而不立即陷入内核态，这样可以避免线程在用户态和内核态之间的频繁切换，这在一定程度上提高了系统的整体性能。

然而，自旋锁也存在一些缺点：

【1】高负载下效率低下：如果锁竞争激烈或持有锁的线程需要长时间执行同步块，自旋锁会因为不断重复无效的旋转操作而导致性能下降。在这种情况下，自旋锁的消耗可能会超过线程阻塞后的恢复成本，因此应该关闭自旋锁以避免不必要的性能损失。1234

【2】可能存在不公平性：某些自旋锁实现（如Java中的）不是完全公平的，这意味着它们可能无法为等待时间最长线程提供优先权，这可能导致所谓的"线程饥饿"问题。

【3】单核处理器上的限制：在单核处理器上，自旋锁实际上没有真正的并行性，因为即使当前线程不阻塞其他线程，锁仍然不会被释放，导致资源的浪费。此外，如果处理器数量少于线程数量，自旋锁也可能造成不必要的资源浪费。4

【4】不适合计算密集型任务：如果任务主要是计算密集型的，使用自旋锁可能会导致性能下降，因为自旋锁会占用CPU资源，而在计算密集型任务中，减少锁的使用可能是更优的选择。

综上所述，自旋锁适用于锁竞争不太激烈且锁占用时间较短的场景，但在竞争激烈或锁占用时间较长的情况下，其性能优势不明显，甚至可能导致性能下降。

【独占锁】（写锁）： 指该锁只能被一个线程所持有。对ReentrantLock和Synchronized而言都是独占锁。
【共享锁】（读锁）： 指该锁可被多个线程持有。

【1】不加读写锁时，代码及出现的问题如下：创建5个线程进行写入，5个线程进行读取。

java 复制代码 
public class ReadWriteLock {
    private volatile Map map = new HashMap();

    //写入方法
    public void put(String k,Object v){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   开始写入："+k );
        try {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(30);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(k,v);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   写入完成");
    }

    //读方法
    public void get(String k){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   读数据开始："+k );
        try {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        Object v = map.get(k);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   读数据完场完成"+v);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReadWriteLock readWriteLock = new ReadWriteLock();

        //写入数据
        for (int i=1;i<6;i++){
            final int tempInt = i;
            new Thread(()->{
                readWriteLock.put(tempInt+"",tempInt+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        //读取数据
        for(int i=1;i<6;i++){
            final int tempInt = i;
            new Thread(()->{
                readWriteLock.get(tempInt+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

【2】上述代码输出如下：第一个线程未写入完成时，其他线程就进入了该方法，进行了写操作。不符合多线程安全特性。

【3】加入读写锁：ReentrantReadWriteLock（读写锁）位于JUC包下

java 复制代码 
public class ReadWriteLock{
    private volatile Map map = new HashMap();
    private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    //写入方法
    public void put(String k,Object v){
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   开始写入："+k );
            try {
                TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(30);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(k,v);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   写入完成");
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    //读方法
    public void get(String k){
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   读数据开始："+k );
            try {
                TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
            Object v = map.get(k);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"   读数据完场完成"+v);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReadWriteLock readWriteLock = new ReadWriteLock();
        //写入数据
        for (int i=1;i<6;i++){
            final int tempInt = i;
            new Thread(()->{
                readWriteLock.put(tempInt+"",tempInt+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        //读取数据
        for(int i=1;i<6;i++){
            final int tempInt = i;
            new Thread(()->{
                readWriteLock.get(tempInt+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

【4】加入读写锁后，输出如下：

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