面试复习题--线程锁

volatile

作用：禁止JVM内存重排序（保证有序性）；保证内存的可见性。

原理：1、通过插入内存屏障（Memory Barrier），在内存屏障前后禁止重排序优化，以此实现有序性  。

         2、可见性的原理是 ：内存屏障Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障，也可让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据；能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，其他线程程可见。另外volatile关键字修饰的变量会存在一个“lock:”的前缀，Lock会对CPU总线或高速缓存加锁。当需要使用个变量时，必须从主存中read–>load这个变量（即要使用这个变量时，必须从主存中读取这个变量，这就保证了该变量是最新的）；当线程工作内存中这个变量被赋值时（assign），那么立刻store–>write这个变量（即当该值计算完成，立刻把这个变量写会主存，并且使得该值在其他内存的工作变量中无效）。
 

synchronized

作用：进行函数或代码块的加锁

原理：对象头的Markword存储类锁信息；在代码块修饰的原理是在在代码块开始插入monitorEnter，结束插入monitorExit；对函数的修饰是新增一个修饰ACC_SYNCHRONIZED；

详细原理：jvm中每个对象都会有一个监视器Monitor，监视器和对象一起创建、销毁。监视器相当于一个用来监视这些线程进入的特殊房间，其义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的临界区代码块。每一个锁都对应一个monitor对象。同步实现是监视器所保护的临界区代码是互斥地执行的。一个监视器是一个运行许可，任一线程进入临界区代码都需要获得这个许可，离开时把许可归还。协作：监视器提供Signal机制，允许正持有许可的线程暂时放弃许可进入阻塞等待状态，等待其他线程发送Signal去唤醒；其他拥有许可的线程可以发送Signal，唤醒正在阻塞等待的线程，让它可以重新获得许可并启动执行。

锁升级：

      锁的4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。 为了减少重量级锁带来的性能开销，尽可能的在无锁状态下解决线程并发问 题，其中偏向锁和轻量级锁的底层实现是基于自旋锁。

AQS

作用：实现高效锁，Lock类锁基于抽象同步器实现的。

原理：AQS （AbstractQueuedSynchronizer）使用一个 int 成员变量State来表示同步状态，通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒 时锁分配的机制，这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

CAS

作用：Atomic类的实现都依赖于CAS（compare and swap） 算法。

原理：JDK提供的CAS机制，在汇编层级会禁止变量两侧的指令优化，然后使用cmpxchg指令比较并更新变量值（原子性）；CAS是JDK提供的非阻塞原子性操纵，它通过硬件保证了比较-更新的原子性，更加可靠。它的底层是一条原子指令（cmpxchg），不会造成数据不一致问题，Unsafe类提供的CAS方法（compareAndSwapXXX）地城实现都是CPU指令cmpxchg。执行cmpxchg的时候，会判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，只有一个人线程会对总线枷锁成功，加锁成功后会执行cas操作，也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现独占的，这里的排他时间要短很多，所以在多线程的情况下性能会更好。

简言之：CAS是靠硬件实现的从而在硬件层面提升效率，最底层还是交给硬件来保证原子性和可见性。实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在X86上使用的hi汇编指令cmpxchg，核心思想就是 比较想要更新的值V和预期值E，相等才会将V的值设置为新值N，如果不相等则自旋。

缺点：

1、循环时间长开销很大，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPu带来很大的开销。

2、ABA问题，解决方法是版本号时间戳原子引用。

自旋锁

   试获取锁的线程不会立即阻塞而是采用循环的方式去尝试获取锁，当线程发现锁被占用时，会不断循环判断锁的状态，直到获取

Lock 接口

作用：提供了锁的操作定义，子类有ReentrantLock

接口函数：

void lock()//获取锁，如果锁不可用，则出于线程调度的目的，当前线程将被禁用，并且在获取锁之前处于休眠状态
 void unlock();//如果锁可用立即返回true，如果锁不可用立即返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException. /*如果锁可用，则此方法立即返回true。 如果该锁不可用，则当前线程将出于线程调度目的而被禁用并处于休眠状态，直到发生以下三种情况之一为止：①当前线程获取到该锁；②当前线程被其他线程中断，并且支持中断获取锁；③经过指定的等待时间如果获得了锁，则返回true，没获取到锁返回false*/

void unlock()：//释放锁。释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生

ReentrantLock

原理：ReentrantLock的锁功能主要是通过继承了AbstractQueuedSynchronizer的内部类Sync来实现的，其lock()获取锁。ReentrantLock的lock()方法会调用其内部成员变量sync的lock()方法---> sync的非公平锁NonfairSync或公平锁FairSync实现了父类AbstractQueuedSynchronizer的lock()方法，其会调用acquire()方法；------>通过tryAcquire()方法试图获取锁，获取到直接返回结果，否则通过嵌套调用acquireQueued()、addWaiter()方法将请求获取锁的线程加入等待队列，如果成功的话，将当前请求线程阻塞。

公平锁的实现原理：ReentrantLock 类锁基于AQS，该同步器内的FIFO的队列CLH管理线程，公平锁按照线程入队的顺序执行。非公平锁是线程执行两次CAS去获取锁，如果没有活到加入到CLH，等待唤醒。

ReentrantReadWriteLock

作用：读写锁独立，读锁是乐观锁，写锁是悲观互斥锁。读锁/写锁 已被其它线程占用，那么新来的线程将无法获取写锁。写锁可重入。提高读锁效率。

原理：ReentrantReadWriteLock 并没有像ReentrantLock一样直接实现Lock 接口，而是内部分别持有ReadLock、WriteLock类型的成员变量。

StampedLock 

作用：在JDK1.8之后提供，读写锁虽然分离了读和写的功能,使得读与读之间可以完全并发,但是读和写之间依然是冲突的,读锁会完全阻塞写锁,它使用的依然是悲观的锁策略.**如果有大量的读线程,他也有可能引起写线程的饥饿。

锁模式：写锁、悲观读锁和乐观读。StampedLock 里的写锁和悲观读锁加锁成功之后，都会返回一个 stamp；然后解锁的时候，需要传入这个 stamp。ReadWriteLock 支持多个线程同时读，但是当多个线程同时读的时候，所有的写操作会被阻塞；而 StampedLock 提供的乐观读，是允许一个线程获取写锁的，也就是说不是所有的写操作都被阻塞。

注意事项：不支持重入；悲观读锁、写锁都不支持条件变量；定不要调用中断操作
如果线程阻塞在 StampedLock 的 readLock() 或者writeLock() 上时，此时调用该阻塞线程的 interrupt() 方法，会导致 CPU 飙升。

CountDownLatch

作用： CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完 成，这里就传入N。这里所说的N个 点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。适用于多个任务完成后再执行之后的工作场景。不可重复使用。

原理：创建一个Sync对象，Sync是 AQS同步队列的实现，并将计数器的值赋给了AQS的state，countDown()方法会对计数器进行减1的操作，当计数器值为0时，将会唤醒在阻塞队列中等待的所有线程。其内部调用了Sync的releaseShared(1)方法（这个state的值在有新的的任务执行时-1，直到为0就阻塞，将新任务放到FIFO的CLH队列里等待唤醒）。而await（）当计数器的值不为0时，该方法会将当前线程加入到阻塞队列中，并把当前线程挂起。

CyclicBerrier

作用：CyclicBarrier是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier），通过它可以实现让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，所有被屏障拦截的线程才会继续执行。CyclicBarrier 可重置后再次使用。

原理：CyclicBarrier类中的ReentrantLock对象和Condition对象用于控制线程，parties变量表示倒计数器的最大值，count变量表示倒计数器当前值，而Runnable对象即为触发点任务。await方法。它会调用dowait方法，所以我们主要看dowait方法。首先为了线程安全，通过lock.lock()进行加锁，然后判断当前线程是否被中断，如果被中断则往上抛InterruptedException异常。线程调用await方法会让倒计数器减一，所以接下去会将当前倒计数器的当前值减一。如果倒计数器当前值为0则需要执行一个Runnable对象，它就是前面构造函数传入的触发点任务，然后调用nextGeneration方法进入下一轮。而如果倒计数器当前值不为0的话，则调用Condition对象的await方法进入等待状态，当然如果设置了超时的话则使用awaitNanos方法，中间如果发生中断异常则通过Thread.currentThread().interrupt()设置当前线程的中断标识。此外，如果等待时间超过指定时间则抛TimeoutException异常。最后调用lock.unlock()释放锁。

Semaphore

 作用：Semaphore通过使用计数器来控制对共享资源的访问。 如果计数器大于0，则允许访问。 如果为0，则拒绝访问。 计数器所计数的是允许访问共享资源的许可。 因此，要访问资源，必须从信号量中授予线程许可。适用于指定个数的资源，资源有限，大于资源个数的线程，安排工作。一般用于流量的控制，特别是公共资源有限的应用场景。例如数据库的连接，假设数据库的连接数上线为10个，多个线程并发操作数据库可以使用Semaphore来控制并发操作数据库的线程个数最多为10个。

原理：Semaphore还分别实现了公平模式FairSync和非公平模式NonfairSync两个内部类。semaphore.acquire() 方法用于抢占资源，acquire() 调用最终会进入Sync.nonfairTryAcquireShared()，并且对state的值原子性减1，state是 AbstractQueuedSynchronizer 维护的一个状态值，也可以说是计数器，可以说AbstractQueuedSynchronizer同步器的实现很大程度都依靠 state 来实现；前3个抢占到资源的线程每个都对 state 的值减1；当达到最大任务数后，并没有可用的资源使用，此时 state 的值为0，进入doAcquireSharedInterruptibly() 方法，对于没有抢占到资源的线程会维护成一个链表的形式，最后调用 LockSupport.park(this) 挂起该线程。