Java锁

简要回答

Java中有很多关于锁的概念，可以分类成下面几个方面理解：

1. 按照锁的获取机制（看待并发同步的角度）：乐观锁/悲观锁
2. 按照锁的竞争策略：公平锁/非公平锁
3. 按照锁控制的资源范围：偏向锁/轻量级锁/重量级锁/分段锁
4. 按照功能特性：可重入锁/读写锁/自旋锁/互斥锁
5. 按照持有方式：独享锁/共享锁

详细回答

1. 乐观锁：假设线程的并发访问不会发生冲突，操作时不加锁，在更新数据时采用尝试更新，如有冲突则重试。
   • 乐观锁在Java中即无锁编程
   • 例如原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。
2. 悲观锁：假设线程并发一定会有冲突，每次操作前必须先加锁，阻止其他线程干扰。
3. 公平锁：线程按照申请锁的顺序获取锁，先等待先获得。
   • 优缺点：公平,但是效率低，存在线程唤醒开销。
4. 非公平锁：线程获取锁时不按顺序，允许“插队”。
   • 优缺点：效率高，吞吐量大，但是可能导致优先级反转或饥饿现象。

• 偏向锁、轻量级锁、重量级锁都是锁的状态，是针对synchronized的概念，通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

5. 偏向锁：是JVM对synchronized的优化，如果只有一个线程访问同步资源，一旦线程获取锁，后续无需重复加锁。
6. 轻量级锁：当偏向锁被多个线程竞争时升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋尝试获取锁，不会阻塞。
7. 重量级锁：轻量级锁自旋失败一定次数后升级为重量级锁，线程进入阻塞。重量级锁依赖操作系统的互斥量实现，重量级锁会使其他申请的线程进入阻塞，性能降低。
8. 分段锁：将大对象拆分为多个小段，对每个段单独加锁，细化锁的粒度，减少锁竞争。
   • 分段锁是一种锁的设计，不是具体的锁。
   • 以ConcurrentHashMap中put操作为例，不会对整个hashmap加锁，会先通过hashcode计算放入的分段，对分段加锁。如果不是放在同一个分段中，可以实现并行插入。
9. 可重入锁（递归锁）：线程可以重复获取已持有的锁，避免自己锁死自己。
   • 实现方式：synchronized（隐式）ReentrantLock（显式）

// 由于可重入锁的特性，setB可以正常执行
synchronized void setA() throws Exception{
  Thread.sleep(1000);
  setB();
}
synchronized void setB() throws Exception{
  Thread.sleep(1000);
}

10. 读写锁：区分“读操作”、“写操作”，允许多个读线程并发访问，读和写互斥，写和写互斥。
    • ReadWriteLock
11. 自旋锁：线程获取锁失败时不立即阻塞，而是循环尝试获取锁，循环有次数限制。
    • 优缺点：减少线程上下文切换开销，但是循环会消耗CPU。
12. 互斥锁：通过互斥机制保证同一时间只允许一个线程持有锁。
    • ReentrantLock

• 互斥锁/读写锁是独享锁/共享锁的具体体现。

13. 独享锁：同一时间只能有一个线程持有锁
    • ReentrantLock 是独享锁
    • ReadWriteLock 写锁是独享锁
14. 共享锁：同一时间允许多个线程同时持有锁，线程间不互斥。
    • ReadWriteLock 读锁是共享锁，保证并发读高效，而读写、写读、写写的过程互斥。

使用场景

锁	使用场景
乐观锁	读操作频繁，冲突概率低的场景
悲观锁	写操作频繁，冲突概率高
偏向锁	单线程反复访问同步块
轻量级锁	短时间、低冲突并发场景
重量级锁	长耗时、高冲突并发场景
分段锁	对大对象的并发访问
读写锁	读多写少

Java中具体工具

工具	适用场景
synchronized	实现互斥锁。对共享资源的访问进行同步控制
ReentrantLock	实现可重入锁。可手动控制锁的获取和释放，支持公平锁，适合更高级别控制场景
ReadWriteLock	读写锁接口。适用于读多写少场景
StampedLock	乐观读写锁。并发性能更高，适用于读多写少场景。
AtomicInteger	基于CAS的原子操作类（无锁）。实现共享变量的原子更新

知识图解

1. 锁的使用

2. CAS操作流程

3. 死锁的出现

知识扩展

1. 扩展：

• CAS操作（Compare and Swap）是一种无锁的原子操作机制，广泛应用于多线程编程中，实现高效的线程安全。
  • CAS有三个操作数：内存位置（V），预期原值（A），新值（B）。
  • 具体操作：
    1. 从内存位置V读取当前值。
    2. 比较当前值和预期原值A是否相等。
    3. 如果相等就将内存位置V的值更新为B。
    4. 如果不相等，则说明该内存位置的值已经被修改过了，则不进行更新操作，选择重试或者执行其他逻辑。
• 死锁
  • 两个线程分别对两个共享资源使用了两个互斥锁，造成两个线程都在等待对方释放锁。
  • 需要同时满足四个条件：
    1. 互斥条件
    2. 持有并等待条件
    3. 不可剥夺条件
    4. 环路等待条件

2. 面试官可能追问：

• Q1：如何避免死锁的产生？
  • 破坏死锁出现的四个条件之一就可以避免死锁产生。
  1. 破坏环路等待条件：强制所有线程按固定顺序申请资源。是最常用和有效的避免死锁产生措施。
  2. 破坏持有并等待条件：线程在执行任务前一次性申请所有需要的资源，如果无法申请其中某资源，则释放已申请的所有资源并等待。
  3. 破坏不可剥夺条件：允许资源被强制回收。
  4. 破坏互斥条件：将资源设计成共享资源，局限性高，不常使用。