锁

1、synchronized用过吗？怎么用？

 　　synchronized是常用来保证代码的原子性的。

//1.修饰实例方法
// 有两个对象obj1和obj2，线程A调用Object.test()，线程B调用obj2.test()，不会互斥
// 但A和B如果都调用obj1.test()，会互斥
//场景：一个银行账户对象，不同线程操作同一个账户时要排队
public synchronized void test(){

}

//2.修饰静态方法
//线程A调用obj1.test（）,线程B调用obj2.test()，仍然会互斥，因为锁是类锁，不是实例锁
//场景：当”类的所有实例共享资源“需要保护时，如修改全局配置、写日志文件、统计类的静态计数器
public static synchronized void test(){
    
}

//3.修饰代码块
//场景：只要锁住”关键区域代码“而不是整个方法。如转账时，只锁定两个账户，避免锁范围太大影响性能
public void test() {
       synchronized(this){        //不同实例对象可以同时
       //synchronized（Example.class），不管有多少个对象实例，同时只能有一个线程进入
              //临界区代码
       }
}    

• 实例方法锁：给一间“卧室”上锁（对象自己的房门），别人想进要拿这间房的钥匙。

• 静态方法锁：给“整栋楼的大门”上锁（类锁），不管哪间房都进不去，大家都排队。

• 代码块锁：只给“卧室里的保险柜”上锁（对象里的某个资源），你可以自由走动，但柜子只能一个人开。

2、synchronized的实现原理

1.  怎么加锁？

• 修饰代码块：JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令，一个开始一个结束

• 修饰方法：JVM在方法表里打上一个标志位ACC_SYNCHRONIZED。在执行时，JVM会检查：如果这个方法有这个标志，调用它时就会自动获取对应对象的Monitor锁-->执行完自动释放锁，不需要显式写lock/unLock。

　　　2. synchronized锁住的是什么？

　　  每个对象都有一个隐含的锁机制（Monitor），java虚拟机里用ObjectMonitor实现。当线程执行synchronized时，本质就是在尝试获取对象对应的ObjectMonitor。

　　 在ObjectMonitor里，有几个核心变量：

• _owner：指向当前持有锁的线程
• _count：重入次数（一个线程重复进入同一锁时+1）
• _EntryList：保存所有正在“争抢锁”的线程
• _WaitSet：保存调用了wait（）方法的线程（等待被唤醒）

　　工作机制：

• 加锁：
  • 线程尝试获取Monitor
  • 如果没人持有，设置_owner = 当前线程，执行成功。
  • 若有人持有，就把自己假如_EntryList，进入阻塞状态
• 解锁：
  • 当前线程执行完同步代码块，_count -1
  • 若_count == 0，说明完全释放锁，把_owner置空
  • 然后从_EntryList里挑一个线程来获取锁
• 等待/唤醒
  • wait（）：当前持锁线程把自己放入_WatiSet，同时释放锁（_Owner置空）
  • notify()：随机从_WaitSet里唤醒一个线程，他会回到_EntryList，等待重新竞争锁

3、除了原子性，synchronized可见性、有序性、可重入性怎么实现？

　　1. 可见性（加锁更新完后其他线程可见）

• 线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值。
• 加锁后，其他现场无法获取哦主内存中的共享变量
• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。

　　2. 有序性（最终结果一致）

• synchronized同步的代码块，具有排他性，一次只能被一个线程拥有，所以能保证同一时刻，代码时单线程执行的。
• as-if-serial：单线程的程序保证最终结果是有序的，但不保证不会指令重排
• 所以synchronized保证的有序是执行结果的有序，而不是指令重排的有序性。

　　3. 可重入性

• 意思：允许一个线程二次请求自己持有对象锁的临界资源。
• synchronized锁对象的时候会有个计数器，记录下同一线程获取锁的次数，在执行完对应的代码块之后，计数器会-1，直到计数器清零，就释放锁了，别的线程才有机会获取。

4、锁升级？synchronized优化了解吗

 　　在HotSpot里，每个对象都有一个对象头，其中有一块区域叫Mark Word，里面会存储对象的一些运行时数据（如对象的哈希码、GC分代年龄、锁标志位(2bit)、是否偏向锁标志(1bit)、锁的指针）。JMV就靠着64bit来标记对象当前的锁状态。

　　　　　　　　　　       ① 无锁：默认情况下，对象是无锁状态。

  　  ② 偏向锁：若一个对象总是被同一个线程获取锁，JVM就会偏向它，把Mark Word里直接记录这个线程ID。下次这个线程再来，就不用做CAS了，直接认定它已经持有锁-->提高性能

偏向锁获取：

1）检查对象是否可偏向（看偏向锁标志位是否为01、偏向标志）

2）检查是不是自己（看线程ID是否等于自己的-->等于则直接执行代码，不用CAS）

3）不是自己，就尝试CAS：若成功则拿到锁，把线程ID改为自己；若失败，则说明有竞争。

4）竞争失败：JVM在安全点停下来，把偏向锁升级为轻量级锁，然后按照轻量级锁的逻辑来竞争

5）执行同步代码。

偏向锁的释放：（与普通锁不同，不会主动释放，只有其他线程来竞争的时候，才会撤销）

1）有人来抢-->检查原来的持有线程是否还在用

• 不用了：撤销偏向锁（回到无锁）
• 还在用：升级为轻量级锁

2）太频繁就批量优化（批量重偏向/批量撤销）

　　③ 轻量级锁：当另一个线程也来竞争时，偏向锁就失效了，JVM会升级为轻量级锁。JVM在当前线程的栈帧里创建一个叫Lock Record的结果，会保存【该对象当前的Mark Word副本，线程自己“占有锁”标记】。然后JVM会尝试用CAS把对象头里的Mark Word改为指向这个Lock Record指针。若成功了，说明这个线程抢到了锁。（不再存放哈希码；只涉及用户态，性能高）

　　④ 重量级锁：多个线程同时竞争，CAS不断失败，会把对象头里的Mark Word改成指向一个Monitor对象的指针，里面有Owner、EntryList和Waitset，此时抢不到锁的线程会先进入“自旋”（默认10次），若达到等待次数后还未获取到锁会被挂起（阻塞），等锁释放后再唤醒。

1. 【注意】这个过程时不可逆的。

　　synchronized做了哪些优化？

• JDK1.6之前的：直接调用ObjectMonitor.enter（）和ObjectMonitor.exit()，这种就是重量级锁，一旦线程竞争，就会发生操作系统层面的阻塞/唤醒，性能差
• JDK6后引入优化策略：
  • 偏向锁：不做CAS，直接改偏向锁标记
  • 轻量级锁：每个线程在自己的栈里创建一个Lock Record，用CAS操作尝试获取锁。
  • 自旋锁：轻量级锁升级到重量级时，若发现锁被占用，先别急着阻塞，先在CPU上循环“自旋“一段时间（避免不必要的操作系统上下文切换）
  • 锁粗化：连续出现多次synchronized，JVM将连续加锁/解锁合并成一个大范围的锁
  • 锁消除：JIT编译器发现加锁没有必要（数据没有共享），直接把锁去掉。

5、synchronized和ReentrantLock的区别

•  锁的实现：
  • synchronized是Java语言的关键字，基于JVM实现（JVM编译时会自动管理）。
  • ReentrantLock是基于JDK的API层面（要自己写代码）实现的（lock和Unlock方法配合try/finnaly语句块来完成）
• 性能：
  • 在JDK1.6锁优化之前，synchronized的性能比ReentrantLock差很多。但JDK6开始优化后，性能就差不多了。
• 功能特点：
  • synchronized中若一个线程在等待获取锁，只能一直等下去，不能被中断。ReentrantLock提供lockInterruptibly（）方法，若线程在等待锁的过程中被interrupt，它会立刻响应中断，放弃等待。
  • synchronized永远是非公平锁（JVM不保证等待时间最长的线程一定先拿到锁）。ReentrantLock可以在构造时指定非公平锁还是公平锁。
  • synchronized配合wait（）、notify（）、notifyAll()来实现线程间通信。这些方法是Object的方法，比较原始。ReentrantLock提供Condition对象。这个对象可以创建多个Condition队列，精确控制哪个线程被唤醒，但synchronized的wait/notify只有一个等待队列，无法细分。
  • synchronized的锁的获取和释放是JVM自动管理（进入同步块时加锁，退出时自动释放）。ReentrantLock必须手动lock和unclok，虽然灵活但容易因为忘记unlock出现死锁。

6、AQS了解多少

 　　（1）AQS（AbstractQueueSynchronizer），是JDK并发包（java.util.concurrent）里的一个抽象类。是一个通用的同步器框架，帮你处理”线程竞争资源-->排队等待-->成功后唤醒的逻辑。

　　（2）核心组件

• 同步状态：private volatile int state，state就是一份资源计数。如ReentrantLock：0表示没被占用，1表示已加锁。修改state用CAS来保证原子性，volatile保证可见性。
• 等待队列：若线程抢锁失败，会被封装成一个Node节点，放进队列。这个队列是FIFO双向链表。队列里的线程会挂起（park（）），等前驱节点释放锁时被唤醒（unpark())
• 独占 / 共享模式：独占（一个线程持有锁如ReentrantLock）；共享（多个线程能同时获取资源（比如Semaphore允许N个线程同时进入）

　　（3）工作流程

• 尝试获取锁：调用acquire（）-->内部会调用tryAcquire（）。若state修改成功，当前线程获取锁。若失败，入队等待。
• 等待/挂起：队列里的线程会挂起，节省CPU
• 释放锁：调用release-->内部调用tryRelease（），成功释放后，会唤醒队列中的下一个线程。

📖 举个例子：ReentrantLock（独占锁）

1. lock() → 调用 AQS 的 acquire()。

2. 如果 state==0，用 CAS 设置 state=1，成功 → 当前线程获得锁。

3. 如果失败，进入 AQS 队列，挂起等待。

4. unlock() → 调用 AQS 的 release()，把 state 设为 0，并唤醒下一个线程。

7、ReentrantLock的实现原理

 　　ReentrantLock是可重入的独占锁：只有一个线程可以获取该锁，该线程可以多次获取锁。

// 默认创建⾮公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock ();
// 获取锁操作
lock . lock ();
try {
 // 执⾏代码逻辑
} catch ( Exception e x ) {
 // ...
} finally {
 // 解锁操作
 lock . unlock ();
}

• 公平锁：多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列排队。
  • 优点：等待锁的线程不会饿死。
  • 缺点：整体吞吐效率相比非公平锁要低。
• 非公平锁：多个线程加锁时尝试获取锁，获取不到采取排队。
  • 有点：减少唤起线程的开销，整体吞吐效率高。
  • 缺点：处于等待队列中的线程可能会饿死。
• 默认创建的对象lock（）非公平的：
  • 若所当前没有被其他线程占用，并且当前线程之前没有获取过该锁，那当前线程会获取到该锁，然后设置当前锁的拥有者为当前线程，并设置state为1，直接返回。若当前线程获取过该锁，则这次只是把state+1
  • 若该锁之前被其他线程持有，非公平锁会尝试去获取锁，获取失败后，进入AQS队列阻塞挂起。

8、ReentrantLock怎么实现公平锁的

 　　在构造函数可以传入参数true。非公平锁在调用lock后，会先调用CAS进行一次抢锁，没抢到就排到后面去。

　　在CAS失败后，和公平锁一样会进入到tryAcquire中，若发现state==0，非公平锁会直接抢锁，但公平锁会判断等待队列是否有线程处于等待，若有则不去抢。

9、CAS是什么

 　　CAS叫Compare And Swap，通过处理器的指令来保证操作的原子性。包含三个参数：共享变量的内存地址A、预期的值B、共享变量的新值C。

　　只有当A的值 = B时，才能将A的值变为C。作为一条CPU指令，CAS指令本身是能保证原子性的。

//线程A尝试执行：
CAS(V, A=100, B=120)
//看地址V里是不是100，若是就更新为120

//线程B尝试执行
CAS(V, A=100,B=150)
//B以为余额还是100，但此时内存里已经是120了，所以不匹配，CAS失效

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CasDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger balance = new AtomicInteger(100);

        // 线程 A：尝试从 100 改成 120
        boolean aSuccess = balance.compareAndSet(100, 120);
        System.out.println("线程A成功？ " + aSuccess + "，余额=" + balance.get());

        // 线程 B：尝试从 100 改成 150
        boolean bSuccess = balance.compareAndSet(100, 150);
        System.out.println("线程B成功？ " + bSuccess + "，余额=" + balance.get());
    }
}

10、CAS有什么问题？怎么解决

•  ABA问题：线程A期望把值从100改为200；中途线程B把值改成了200，又改为100。线程A再CAS检查时，发现还是100，于是成功更新为120。但线程A不知道这个值已经被修改过了。
  • 解决：用版本号。每次被更新，版本号都会+1
• 循环性能开销：若多个线程一直同时竞争同一个变量，CAS可能一直失败，导致CPU飙升，但操作却无法完成。
  • 解决：结合锁 或 退避算法（比如退一会儿再尝试）
• 只能保证一个变量的原子操作：若账户A扣钱，B加钱，需要保证两个操作都是原子性的，但CAS只能保证一个变量。
  • 解决：用锁来保证。

11、Java有哪些保证原子性的方法？如果保证多线程下i++结果正确

//1.使用原子类：基于CAS+volatile
AtomicInteger i = new AtomicIntger(0);
i.incrementAndGet();
//性能最好，推荐用于计数器，并发统计

//2.使用JUC包中的锁（ReentrantLock）
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int i = 0;

lock.lock();
try {
    i++;
} finally {
    lock.unlock();
}
//可实现公平锁、可中断锁

//3.使用synchronized
//JVM层面提供的内置锁
int i = 0;

synchronized (this) {
    i++;
}
//自动释放锁，但功能比ReentrantLock少

12、原子操作类了解多少

13、AtomicInteger的原理

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndInt(this, valueOffset, 1);
}

//unsafe：这是JVM内部的Unsafe类，提供了底层操作内存的能力
//getAndAddInt：内部基于 CAS 实现，即比较并交换。
//valueOffset：内存偏移量，指向 AtomicInteger 里真正存值的 value 字段。
//1：表示要加的值。

//getAndInt逻辑
do {
    int oldValue = getIntVolatile(obj, offset); // 读当前值（保证可见性）
    int newValue = oldValue + 1;                // 计算新值
} while (!compareAndSwapInt(obj, offset, oldValue, newValue)); // CAS
这里的 compareAndSwapInt 是一个 native 方法，调用 CPU 的 CAS 指令（通常是 cmpxchg）。
如果 内存值 == oldValue，就更新为 newValue，返回 true。
否则说明有竞争，更新失败，循环重试。

　　AtomicInteger.getAndIncrement() 就是：

• 读当前值；

• 用 CAS 尝试把它加 1；

• 如果失败就重试，直到成功。

靠 CAS 保证了原子性，靠 volatile 保证了可见性。

14、线程死锁了解吗？如何避免

 　　死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成互相等待的现象，在无外力作用下，这些线程会一直相互等待。

　　造成死锁的四个必要条件：

• 互斥条件：同一资源同时只能由一个线程占用
• 请求并保持：一个线程持有了至少一个资源，但又想要其他的资源，而新资源已经被别人占有了，则当前线程会被阻塞，但它不会释放他自己拥有的。
• 不可剥夺：线程获取到的资源在自己用完之前不能被别人抢占。
• 循环等待：发生死锁时，必然存在一个线程——资源的环形链。

　　避免死锁：破坏至少一个条件。

• 互斥：没法破坏。
• 请求并保持：一次性请求所有的资源
• 不可剥夺：占用该资源的可以自动主动释放
• 循环等待：按顺序申请资源。

15、死锁问题如何排查

 　　可以使用JDK自带的命令行工具排查：

• 使用jps查找运行的Java进程：jps -l
• 使用jstack查看线程堆栈信息： jstack -l 进程id

　　还可以用图形化的工具。

参考

[1] 沉默王二公众号

• Semaphore：state 表示剩余的许可数量。

• CountDownLatch：state 表示还需要等待多少个事件。