java 线程的锁通俗_面试官：聊聊你知道的锁

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-10-23 03:58 148阅读 0赞

开篇思考

你知道哪些锁？

锁解决了哪些应用场景的问题？

锁的底层实现？

java 中的并发包了解吗？

CAS 会有哪些问题？如何解决？

AQS 是并发包的基础，实现原理是什么？

synchronize 是可重入锁吗？

如果上面的思考题都能直接准确回答，直接去面试吧。

锁

1. 悲观锁

并不是某一个锁，是一个锁类型，无论是否并发竞争资源，都会锁住资源，并等待资源释放下一个线程才能获取到锁。

这明显很悲观，所以就叫悲观锁。这明显可以归纳为一种策略，只要符合这种策略的锁的具体实现，都是悲观锁的范畴。

2. 乐观锁

与悲观锁相对的，也是一个锁类型。当线程开始竞争资源时，不是立马给资源上锁，而是进行一些前后值比对，以此来操作资源。

3. 无锁

显然，就是不给资源上锁，线程可以直接获取资源。

4. 自旋锁

自旋通俗的讲就是轮询，for(;;) 很好理解，就是一直循环等待资源释放后获取锁。

5. 偏向锁

初次执行到synchronized代码块的时候，锁对象变成偏向锁(通过CAS修改对象头里的锁标志位)，字面意思是

“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。当第二次到达同步代码块时，

线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己(持有锁的线程ID也在对象头里)，如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁，

这里也就不需要重新加锁。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

6. 轻量级锁

一旦有第二个线程加入锁竞争，偏向锁就升级为轻量级锁(自旋锁)。这里要明确一下什么是锁竞争：

如果多个线程轮流获取一个锁，但是每次获取锁的时候都很顺利，没有发生阻塞，那么就不存在锁竞争。只有当某线程尝试获取锁的时候，

发现该锁已经被占用，只能等待其释放，这才发生了锁竞争。在轻量级锁状态下继续锁竞争，没有抢到锁的线程将自旋，

即不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作，其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。

先比较当前锁标志位是否为“释放”，如果是则将其设置为“锁定”，比较并设置是原子性发生的。这就算抢到锁了，

然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程持有锁，其他线程就只能在原地空耗CPU，

执行不了任何有效的任务，这种现象叫做忙等(busy-waiting)。如果多个线程用一个锁，但是没有发生锁竞争，或者发生了很轻微的锁竞争，

那么synchronized就用轻量级锁，允许短时间的忙等现象。这是一种折衷的想法，短时间的忙等，换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

7. 重量级锁

如果锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数的线程(一般10次)，会将轻量级锁升级为重量级锁

(依然是CAS修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID)。

当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起(而不是忙等)，等待将来被唤醒。在JDK1.6之前，

synchronized直接加重量级锁，很明显现在得到了很好的优化。

8. 可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。比如一个递归函数里有加锁操作，

递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁(因为这个原因可重入锁也叫做递归锁)。

9. 公平锁

多个线程竞争同一把锁，如果依照先来先得的原则，那么就是一把公平锁。

10. 非公平锁

多个线程竞争锁资源，如果是抢占式的，谁都可以先上，那么显然不公平，我先来的凭什么要插队，无耻。

11. 可中断锁

字面意思是“可以响应中断的锁”。这里的关键是理解什么是中断。Java并没有提供任何直接中断某线程的方法，

只提供了中断机制。何谓“中断机制”？线程A向线程B发出“请你停止运行”的请求(线程B也可以自己给自己发送此请求)，

但线程B并不会立刻停止运行，而是自行选择合适的时机以自己的方式响应中断，也可以直接忽略此中断。也就是说，

Java的中断不能直接终止线程，而是需要被中断的线程自己决定怎么处理。如果线程A持有锁，线程B等待获取该锁。由于线程A持有锁的时间过长，

线程B不想继续等待了，我们可以让线程B中断自己或者在别的线程里中断它，这种就是可中断锁。在Java中，synchronized就是不可中断锁，

而Lock的实现类都是可中断锁，可以简单看下Lock接口。

/\* Lock接口 \*/

public interface Lock \{

void lock(); // 拿不到锁就一直等，拿到马上返回。

void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 拿不到锁就一直等，如果等待时收到中断请求，则需要处理InterruptedException。

boolean tryLock(); // 无论拿不拿得到锁，都马上返回。拿到返回true，拿不到返回false。

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 同上，可以自定义等待的时间。

void unlock();

Condition newCondition();

12. 读写锁，互斥锁，共享锁

读写锁其实是一对锁，一个读锁(共享锁)和一个写锁(互斥锁、排他锁)

/\*\* @see ReentrantReadWriteLock

\* @see Lock

\* @see ReentrantLock

\* @since 1.5

\* @author Doug Lea

\*/

public interface ReadWriteLock \{

/\*\*

\* Returns the lock used for reading.

\* @return the lock used for reading

\*/

Lock readLock();

/\*\*

\* Returns the lock used for writing.

\* @return the lock used for writing

\*/

Lock writeLock();

记得之前的乐观锁策略吗？所有线程随时都可以读，仅在写之前判断值有没有被更改。

读写锁其实做的事情是一样的，但是策略稍有不同。很多情况下，线程知道自己读取数据后，是否是为了更新它。

那么何不在加锁的时候直接明确这一点呢？如果我读取值是为了更新它(SQL的for update就是这个意思)，

那么加锁的时候就直接加写锁，我持有写锁的时候别的线程无论读还是写都需要等待；如果我读取数据仅为了前端展示，

那么加锁时就明确地加一个读锁，其他线程如果也要加读锁，不需要等待，可以直接获取(读锁计数器+1)。

虽然读写锁感觉与乐观锁有点像，但是读写锁是悲观锁策略。因为读写锁并没有在更新前判断值有没有被修改过，

而是在加锁前决定应该用读锁还是写锁。乐观锁特指无锁编程。

JDK提供的唯一一个ReadWriteLock接口实现类是ReentrantReadWriteLock。看名字就知道，它不仅提供了读写锁，

而是都是可重入锁。 除了两个接口方法以外，ReentrantReadWriteLock还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法，

这里就不一一展开。

java 中的悲观锁、乐观锁

我们在Java里使用的各种锁，几乎全都是悲观锁。synchronized从偏向锁、轻量级锁到重量级锁，全是悲观锁。

JDK提供的Lock实现类全是悲观锁。其实只要有“锁对象”出现，那么就一定是悲观锁。因为乐观锁不是锁，

而是一个在循环里尝试CAS的算法。

那JDK并发包里到底有没有乐观锁呢？很多。

java.util.concurrent.atomic包里面的原子类都是利用乐观锁实现的。

有。java.util.concurrent.atomic包里面的原子类都是利用乐观锁实现的。

/\*\*

\* Atomically sets the value to the given updated value

\* if the current value \{@code ==\} the expected value.

\* @param expectthe expected value

\* @param updatethe new value

\* @return \{@code true\} if successful. False return indicates that

\* the actual value was not equal to the expected value.

\*/

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) \{

return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

ABA问题及解决方案

上面讲到 CAS 是通过比较替换的方式来做实际的更新。

这里存在一个问题，就是一个值从A变为B，又从B变回了A。这种情况下，CAS可能会认为值没有发生过变化，但实际上是有变化的。

对此，并发包下有AtomicStampedReference提供根据版本号判断的实现。

基本思路就是通过版本号来控制，这个也是乐观锁的常用解决方案。

数据库同样可以通过这种版本号的控制方式来实现乐观锁。

AbstractQueuedSynchronizer (AQS )抽象的队列式同步器，并发包的基础

简单解释一下J.U.C，是JDK中提供的并发工具包,java.util.concurrent。

里面提供了很多并发编程中很常用的实用工具类，比如atomic原子操作、比如lock同步锁、fork/join等。

AQS 的核心功能，就是用来将当前工作的线程设置为占有资源状态，并将资源状态设置为锁定，如果其他线程继续访问共享资源，

则需要使用队列将其他线程进行管理，这个队列并不是实例化的某种队列，只是一个 Node 节点的双向关联。

下面只列出一些 AQS 核心的东西，后面有机会详细解读 AQS

FIFO 先入先出队列

状态控制(volatile修饰共享变量state)

lock获取锁的过程：本质上是通过CAS来获取状态值修改，如果当场没获取到，会将该线程放在线程等待链表中

lock释放锁的过程：修改状态值，调整等待链表。

下面这段代码就是 AQS 静态内部类，Node：

static final class Node \{

/\*\* Marker to indicate a node is waiting in shared mode \*/

static final Node SHARED = new Node();

/\*\* Marker to indicate a node is waiting in exclusive mode \*/

static final Node EXCLUSIVE = null;

/\*\* waitStatus value to indicate thread has cancelled \*/

static final int CANCELLED = 1;

/\*\* waitStatus value to indicate successor's thread needs unparking \*/

static final int SIGNAL = -1;

/\*\* waitStatus value to indicate thread is waiting on condition \*/

static final int CONDITION = -2;

/\*\*

\* waitStatus value to indicate the next acquireShared should

\* unconditionally propagate

\*/

static final int PROPAGATE = -3;

/\*\*

\* Status field, taking on only the values:

\* SIGNAL: The successor of this node is (or will soon be)

\* blocked (via park), so the current node must

\* unpark its successor when it releases or

\* cancels. To avoid races, acquire methods must

\* first indicate they need a signal,

\* then retry the atomic acquire, and then,

\* on failure, block.

\* CANCELLED: This node is cancelled due to timeout or interrupt.

\* Nodes never leave this state. In particular,

\* a thread with cancelled node never again blocks.

\* CONDITION: This node is currently on a condition queue.

\* It will not be used as a sync queue node

\* until transferred, at which time the status

\* will be set to 0. (Use of this value here has

\* nothing to do with the other uses of the

\* field, but simplifies mechanics.)

\* PROPAGATE: A releaseShared should be propagated to other

\* nodes. This is set (for head node only) in

\* doReleaseShared to ensure propagation

\* continues, even if other operations have

\* since intervened.

\* 0: None of the above

\* The values are arranged numerically to simplify use.

\* Non-negative values mean that a node doesn't need to

\* signal. So, most code doesn't need to check for particular

\* values, just for sign.

\* The field is initialized to 0 for normal sync nodes, and

\* CONDITION for condition nodes. It is modified using CAS

\* (or when possible, unconditional volatile writes).

\*/

volatile int waitStatus;

volatile Node prev;

volatile Node next;

/\*\*

\* The thread that enqueued this node. Initialized on

\* construction and nulled out after use.

\*/

volatile Thread thread;

Node nextWaiter;

/\*\*

\* Returns true if node is waiting in shared mode.

\*/

final boolean isShared() \{

return nextWaiter == SHARED;

/\*\*

\* Returns previous node, or throws NullPointerException if null.

\* Use when predecessor cannot be null. The null check could

\* be elided, but is present to help the VM.

\* @return the predecessor of this node

\*/

final Node predecessor() throws NullPointerException \{

Node p = prev;

if (p == null)

throw new NullPointerException();

else

return p;

Node() \{ // Used to establish initial head or SHARED marker

Node(Thread thread, Node mode) \{ // Used by addWaiter

this.nextWaiter = mode;

this.thread = thread;

Node(Thread thread, int waitStatus) \{ // Used by Condition

this.waitStatus = waitStatus;

this.thread = thread;

重点看下这个volatile int waitStatus;，这是一个volatile 修饰的int 状态类型，volatile 就是确保该变量是对其他线程可见的，

是java 内存模型中的重要概念，不理解的可以去看下 JMM 。

SIGNAL(-1)：表示后继结点在等待当前结点唤醒。后继结点入队时，会将前继结点的状态更新为SIGNAL。

CANCELLED(1):表示当前结点已取消调度。当timeout或被中断(响应中断的情况下)，会触发变更为此状态，进入该状态后的结点将不会再变化。

CONDITION(-2):表示结点等待在Condition上，当其他线程调用了Condition的signal()方法后，CONDITION状态的结点将从等待队列转移到同步队列中，等待获取同步锁。

PROPAGATE(-3):共享模式下，前继结点不仅会唤醒其后继结点，同时也可能会唤醒后继的后继结点。

0:初始状态

synchronize 是不是可重入锁

这个需要先理解可重入锁是怎么设计的。

重入锁实现可重入性原理或机制是：每一个锁关联一个线程持有者和计数器，当计数器为 0 时表示该锁没有被任何线程持有，

那么任何线程都可能获得该锁而调用相应的方法；当某一线程请求成功后，JVM会记下锁的持有线程，并且将计数器置为 1；

此时其它线程请求该锁，则必须等待；而该持有锁的线程如果再次请求这个锁，就可以再次拿到这个锁，同时计数器会递增；

当线程退出同步代码块时，计数器会递减，如果计数器为 0，则释放该锁。

程序领域(id：think-holy)

作者：holy 程序汪一只

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