Java面試題沖刺第二十四天–並發編程

Posted on 2021-08-09 by WalkonNet

面試題1：說一下你對ReentrantLock的理解？

ReentrantLock是JDK1.5引入的，它擁有與synchronized相同的並發性和內存語義，並提供瞭超出synchonized的其他高級功能(例如，中斷鎖等候、條件變量等)，並且使用ReentrantLock比synchronized能獲得更好的可伸縮性。

ReentrantLock主要利用： CAS(compare-and-swap) + AQS(AbstractQueuedSynchronizer)隊列來實現。它支持公平鎖和非公平鎖，兩者的實現類似。

CAS：

CAS（compare-and-swap），見名知意，比較並交換。CAS 加 volatile 關鍵字是實現並發包的基石。沒有CAS就不會有並發包，synchronized是一種獨占鎖、悲觀鎖，java.util.concurrent中借助瞭CAS指令實現瞭一種區別於synchronized的一種樂觀鎖。

CAS引用瞭樂觀鎖思想，每次拿數據的時候都認為別的線程不會修改這個數據，所以不會上鎖，但是在更新的時候會通過標記參數判斷一下在此期間（更新期間）別的線程有沒有已經修改過該標記數據，如果發現有其他線程在修改且未修改完成，並不會像悲觀鎖那樣阻塞線程，而是直接返回，可以去選擇再次重試獲得鎖，也可以直接退出。

舉個流程示例

如CAS操作包括三個操作數：需要讀寫的內存位置(V)、預期原值(A)、新值(B)。如果內存位置與預期原值的A相匹配，說明在此期間（更新期間）別的線程未修改過該標記數據，那麼將內存位置的值更新為新值B。如果內存位置與預期原值的值不匹配，那麼處理器不會做任何操作。

無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當前值。）

AQS:

AQS主要利用硬件原語指令CAS，來實現輕量級多線程同步機制，並且不會引起CPU上文切換和調度，同時提供內存可見性和原子化更新保證(線程安全的三要素：原子性、可見性、順序性)。

AQS的本質上是一個同步器/阻塞鎖的基礎框架，其作用主要是提供加鎖、釋放鎖，並在內部維護一個FIFO等待隊列，用於存儲由於鎖競爭而阻塞的線程。

追問1：你認為 ReentrantLock 相比 synchronized 都有哪些區別？

優秀問答摘自：https://ask.csdn.net/questions/1101634

兩者的共同點：

都是用來協調多線程對共享對象、變量的訪問
都是可重入鎖，同一線程可以多次獲得同一個鎖
都保證瞭可見性和互斥性

兩者的不同點：

ReentrantLock 顯示的獲得、釋放鎖，synchronized 隱式獲得釋放鎖；
ReentrantLock 可響應中斷、可輪回，synchronized 是不可以響應中斷的，為處理鎖的不可用性提供瞭更高的靈活性；
ReentrantLock 是API 級別的，synchronized 是 JVM 級別的；
ReentrantLock 可以實現公平鎖；
ReentrantLock 通過 Condition 可以綁定多個條件；
底層實現不一樣， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲觀並發策略，ReentrantLock 是同步非阻塞，采用的是樂觀並發策略；
Lock 是一個接口，而 synchronized 是 Java 中的關鍵字，synchronized 是內置的語言實現；
synchronized 在發生異常時，會自動釋放線程占有的鎖，因此不會導致死鎖現象發生；
而 Lock 在發生異常時，如果沒有主動通過 unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現象，因此使用 Lock 時需要在 finally 塊中釋放鎖。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
lock.lock();
try {
  while(條件判斷表達式) {
      condition.wait();
  }
 // 處理邏輯
} finally {
    lock.unlock();
}

Lock 可以讓等待鎖的線程響應中斷，而 synchronized 卻不行，使用 synchronized 時，等待的線程會一直等待下去，不能夠響應中斷。
通過 Lock 可以知道有沒有成功獲取鎖，而 synchronized 卻無法辦到。
Lock 可以提高多個線程進行讀操作的效率，就是實現讀寫鎖等。

面試題2：解釋一下公平鎖和非公平鎖？

ReenTrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖，而synchronized隻能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲鎖。

我們剛才提及到AQS中，如果線程A正處於lock狀態，線程B進來時發現線程A處於lock狀態，會自動進入阻塞隊列，等待取鎖；這時候當線程C也進來瞭也發現線程A處於lock狀態，也會自動進入阻塞隊列。那麼等A釋放鎖後，下次加鎖到底是線程B先拿到還是線程C先拿到呢？

在這裡插入圖片描述

ReentrantLock有個構造方法用於設置鎖的公平性，如果我們僅僅是new瞭一個ReentrantLock的話，那麼就是非公平鎖（默認），就是靠自己去爭取，完全的隨機性。如果我們在new ReentrantLock(true) 加入 true參數時，公平鎖，就會遵循先入先出的原則，保證瞭鎖的公平性。

面試題3：能詳細說一下CAS具體實現原理麼？

首先，CAS的英文單詞是Compare and Swap，即是比較並替換。CAS機制中使用瞭3個基本操作數：內存地址V，舊的預期值A，待替換的新值B。

CAS規則是：當需要更新一個變量的值的時候，隻有當變量的預期值A和內存地址V中的實際值相同的時候，才會把內存地址V對應的值替換成B。

下面我們通過一個例子來講解：

1.在內存地址V中存儲的值是陳哈哈

在這裡插入圖片描述

2.線程01想要把變量的值改成僑總，對於線程01而言，內存地址 V=‘陳哈哈’，舊的預期值 A=‘陳哈哈’，需要替換的新值 B=‘僑總’。

在這裡插入圖片描述

3.在線程01要提交更新之前，另外一個線程02搶先一步，將內存地址V中的值更新成瞭V=’比特幣’。

在這裡插入圖片描述

4.線程01開始提交更新的時候，按照CAS機制，首先進行A的值與內存地址V中的值進行比較（ A=‘陳哈哈’ V=‘比特幣’），發現 A != V 中的實際值，提交失敗。

在這裡插入圖片描述

5.線程01未獲取鎖後進行重試，重新獲取內存地址V的當前值（V=‘比特幣’），並重新賦值想要修改的值（B=‘僑總’）。截至目前，線程01舊的預期值為A=’比特幣’，B=’僑總’，這個重新嘗試的過程被稱為自旋。

在這裡插入圖片描述

6.這一次就比較順利瞭，沒有其他線程改變該變量的值，所以線程01通過CAS機制，比較舊的預期值A與內存地址V的值，相同（V == A），可以替換。

在這裡插入圖片描述

7.線程01進行替換，把地址V（V=‘比特幣’）的值替換成B（B=‘僑總’）。

在這裡插入圖片描述

以上就是一個比較完整的CAS鎖沖突的處理方式。

從思想上來看，synchronized屬於悲觀鎖，悲觀的認為程序中的並發問題十分嚴重，所以嚴防死守，隻讓一個線程操作該代碼塊。而CAS屬於樂觀鎖，樂觀地認為程序中的並發問題並不那麼嚴重，所以讓線程不斷的去嘗試更新，在並發問題不嚴重的時候性能要比synchronized快。

追問1：那CAS的缺陷有哪些呢？

當然，CAS也有缺點，如ABA問題，自旋鎖消耗問題、多變量共享一致性問題等。

1.ABA：

問題描述：

線程t1將它的值從A變為B，再從B變為A。同時有線程t2要將值從A變為C。但CAS檢查的時候會發現沒有改變，但是實質上它已經發生瞭改變。可能會造成數據的缺失。

解決方法：

CAS還是類似於樂觀鎖，同數據樂觀鎖的方式給它加一個版本號或者時間戳，如AtomicStampedReference

2.自旋消耗資源：

問題描述：

多個線程爭奪同一個資源時，如果自旋一直不成功，將會一直占用CPU。

解決方法：

破壞掉for死循環，當超過一定時間或者一定次數時，return退出。JDK8新增的LongAddr,和ConcurrentHashMap類似的方法。當多個線程競爭時，將粒度變小，將一個變量拆分為多個變量，達到多個線程訪問多個資源的效果，最後再調用sum把它合起來。

雖然base和cells都是volatile修飾的，但感覺這個sum操作沒有加鎖，可能sum的結果不是那麼精確。

3.多變量共享一致性問題：

解決方法:

CAS操作是針對一個變量的，如果對多個變量操作，

可以加鎖來解決。
封裝成對象類解決。

追問2：講一下什麼是ABA問題？怎麼解決？

ABA：如果另一個線程修改V值假設原來是A，先修改成B，再修改回成A。當前線程的CAS操作無法分辨當前V值是否發生過變化。

舉個例子1：

例一：你和女神一起喝茶，女神喝瞭一半去廁所瞭，你猥瑣的喝瞭她剩下的半杯，然後又從你杯子裡倒瞭半杯給她，女神回來後也不知道是否被人喝過。

如果覺得例子1太猥瑣的話，請看例子2：

例二：

今天上午10:30:00：我銀行卡有一萬塊錢，今天我來ATM機取5000塊出來買比特幣，但由於ATM機硬件問題，導致取款操作同時提交瞭兩遍，後臺開啟瞭兩個線程（線程1、線程2），兩個線程都是獲取當前值10000元，要更新成5000元；理想情況下，應該一個線程更新成功，一個線程更新失敗，我的存款隻扣除一次，也就是餘額應為5000元。

好巧不巧，也是今天上午10:30:00：僑總上次買幣欠我5000塊，經過我再三催債，表示再不還錢就把你買幣的事兒告訴你媳婦！也正巧這個點兒，僑總給我轉瞭5000元到卡裡（線程3）。沒想到這再正常不過的事兒，缺被ABA問題坑瞭！我可忍不瞭！

事情是這樣的：

線程1首先執行成功，把餘額10000更新為5000（取錢線程）。同時線程2由於某種原因陷入瞭阻塞狀態（取錢線程）。這時候，（線程3）僑總匯款給瞭我5000元，執行成功，我的賬戶5000更新為10000元。過一會兒，線程2恢復運行，由於之前阻塞的時候獲得瞭當前值為：10000，並且經過compare檢測，此時存款也的確是10000元，所以又成功把變量值從10000更新成瞭5000。僑總：哈哥，5000給你打過去瞭！我：查到賬戶隻有5000，你他娘的糊弄老子呢？？僑總：？？？我好幾十個比特幣的人，還在乎你這5000塊錢瞭。。。

這就是經典的 A → B → A 問題，通過上面的例子，相信同學們也基本瞭解它的原理瞭。其實解決方式也很簡單，比如例一，我們將每一次倒水假設有一個自動記錄儀記錄下，這樣主人回來就可以分辨在她離開後是否發生過重新倒滿的情況。這也是解決ABA問題目前采用的策略。

使用版本號，通過比較值 + 版本號才判斷是否可以替換。這麼看來如果要解決ABA問題，就需要在CAS基礎上在增加一個版本號的校驗，當值 + 版本號都相等時，才進行替換，其他部分均不變。

而在Java中，AtomicStampedReference類就實現瞭用版本號做比較的CAS機制。狗子們，你心裡有數瞭麼？

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能給你帶來幫助，也希望您關註WalkonNet的更多內容！

Java面試題沖刺第二十四天–並發編程

目錄

面試題1：說一下你對ReentrantLock的理解？

CAS：

AQS:

追問1：你認為 ReentrantLock 相比 synchronized 都有哪些區別？

面試題2：解釋一下公平鎖和非公平鎖？

面試題3：能詳細說一下CAS具體實現原理麼？

追問1：那CAS的缺陷有哪些呢？

1.ABA：

2.自旋消耗資源：

3.多變量共享一致性問題：

追問2：講一下什麼是ABA問題？怎麼解決？

總結

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面試題1：說一下你對ReentrantLock的理解？

CAS：

AQS:

追問1：你認為 ReentrantLock 相比 synchronized 都有哪些區別？

面試題2：解釋一下公平鎖和非公平鎖？

面試題3：能詳細說一下CAS具體實現原理麼？

追問1：那CAS的缺陷有哪些呢？

1.ABA：

2.自旋消耗資源：

3.多變量共享一致性問題：

追問2：講一下什麼是ABA問題？怎麼解決？

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