每天一道面试题：Java并发编程(三)

JAVA锁相关问题（synchronized）

1、说说线程安全问题，什么是线程安全，如何保证线程安全

    线程安全：就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。 线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

    如何保证：

• 使用线程安全的类；

• 使用synchronized同步代码块，或者用Lock锁；

• 多线程并发情况下，线程共享的变量改为方法局部级变量；

 

2、重入锁的概念，重入锁为什么可以防止死锁

概念：自己可以获取自己的内部锁。当线程请求自己持有的对象锁时，如果锁是重入锁，线程请求成功。

3、产生死锁的四个条件

• 互斥：某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不不能再访问，直到该进程访问结束。

• 占有且等待：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等在待其他进程释放该资源。

• 不可抢占：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源资源抢过来。

• 循环等待：存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。

4、进入重点，java的synchronized

    是什么？？？

  Synchronized 是由JVM实现的一种实现互斥同步的一种方式，如果你查看被Synchronized 修饰过的程序块编译后的字节码，会发现，被 Synchronized 修饰过的程序块，在编译前后被编译器生成了 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令。 

    这两个指令是什么意思呢？ 

 在虚拟机执行到 monitorenter 指令时，首先要尝试获取对象的锁：如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，把锁的计数器 +1；当执行 monitorexit 指令时将锁计数器 -1；当计数器为 0 时，锁就被释放了。如果获取对象失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。Java 中 Synchronize 通过在对象头设置标记，达到了获取锁和释放锁的目的。

    “锁”到底是什么？如何确定对象的锁？

“锁”的本质其实是 monitorenter 和 monitorexit 字节码指令的一个 Reference 类型的参数，即要锁定和解锁的对象。我们知道，使用Synchronized可以修饰不同的对象，因此，对应的对象锁可以这么确定。 

1. 如果 Synchronized 明确指定了锁对象，比如 Synchronized（变量名）、Synchronized(this) 等，说明加解锁对象为该对象。 

2. 如果没有明确指定： 

若 Synchronized 修饰的方法为非静态方法，表示此方法对应的对象为锁对象； 

若 Synchronized 修饰的方法为静态方法，则表示此方法对应的类对象为锁对象。 

注意，当一个对象被锁住时，对象里面所有用Synchronized 修饰的方法都将产生堵塞，而对象里非 Synchronized 修饰的方法可正常被调用，不受锁影响

    什么是可重入性，为什么说 Synchronized 是可重入锁？ 

可重入性是锁的一个基本要求，是为了解决自己锁死自己的情况。对Synchronized来说，可重入性是显而易见的，刚才提到，在执行monitorenter指令时，如果这个对象没有锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁（而不是已拥有了锁则不能继续获取），就把锁的计数器 +1，其实本质上就通过这种方式实现了可重入性。 

    JVM 对 Java 的原生锁做了哪些优化？

在 Java 6 之前，Monitor的实现完全依赖底层操作系统的互斥锁来实现，也就是我们刚才在问题二中所阐述的获取/释放锁的逻辑。由于 Java 层面的线程与操作系统的原生线程有映射关系，如果要将一个线程进行阻塞或唤起都需要操作系统的协助，这就需要从用户态切换到内核态来执行，这种切换代价十分昂贵，很耗处理器时间，现代JDK中做了大量的优化。 

一种优化是使用自旋锁，即在把线程进行阻塞操作之前先让线程自旋等待一段时间，可能在等待期间其他线程已经解锁，这时就无需再让线程执行阻塞操作，避免了用户态到内核态的切换。 

现代 JDK 中还提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是三种不同的锁： 

 偏向锁（Biased Locking） 

 轻量级锁 

 重量级锁 

这三种锁使得 JDK 得以优化 Synchronized 的运行，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这就是锁的升级、降级。当没有竞争出现时，默认会使用偏向锁。JVM 会利用 CAS 操作，在对象头上的 Mark Word 部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁，因为在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。如果有另一线程试图锁定某个被偏斜过的对象，JVM 就撤销偏斜锁，切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

 

    为什么说 Synchronized 是非公平锁？

非公平主要表现在获取锁的行为上，并非是按照申请锁的时间前后给等待线程分配锁的，每当锁被释放后，任何一个线程都有机会竞争到锁，这样做的目的是为了提高执行性能，缺点是可能会产生线程饥饿现象。

 

 

    什么是锁消除和锁粗化？ 

 锁消除：指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。主要根据逃逸分析。程序员怎么会在明知道不存在数据竞争的情况下使用同步呢？很多不是程序员自己加入的。

  锁粗化：原则上，同步块的作用范围要尽量小。但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作在循环体内，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。锁粗化就是增大锁的作用域。 

    为什么说 Synchronized 是一个悲观锁？乐观锁的实现原理又是什么？什么是 CAS，它有什么特性？ 

Synchronized 显然是一个悲观锁，因为它的并发策略是悲观的：不管是否会产生竞争，任何的数据操作都必须要加锁、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等操作。 

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略。先进行操作，如果没有其他线程征用数据，那操作就成功了；如果共享数据有征用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施。这种乐观的并发策略的许多实现不需要线程挂起，所以被称为非阻塞同步。 乐观锁的核心算法是 CAS（Compareand Swap，比较并交换），它涉及到三个操作数：内存值、预期值、新值。当且仅当预期值和内存值相等时才将内存值修改为新值。这样处理的逻辑是，首先检查某块内存的值是否跟之前我读取时的一样，如不一样则表示期间此内存值已经被别的线程更改过，舍弃本次操作，否则说明期间没有其他线程对此内存值操作，可以把新值设置给此块内存。CAS 具有原子性，它的原子性由 CPU 硬件指令实现保证，即使用JNI调用 Native 方法调用由 C++ 编写的硬件级别指令，JDK 中提供了 Unsafe 类执行这些操作。

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