【Java】面试题 并发安全 （2）

可重入锁（ReentrantLock）知识总结

1. 可重入锁概念与特点

• 概念：ReentrantLock是可重入锁，同一线程可多次获取该锁。
• 特点
  • 可中断：与synchronized不同，ReentrantLock可在获取锁过程中被中断。
  • 可设置超时时间：获取锁时可设置超时时间，超时未获取到锁可放弃，避免无限等待。
  • 支持公平锁和非公平锁：默认是非公平锁，也可通过构造函数设置为公平锁。公平锁按等待顺序获取锁，非公平锁允许插队，提高性能但可能导致某些线程长时间等待。
  • 支持多个条件变量：类似synchronized中的wait/notify方法，可创建多个条件变量控制线程等待和唤醒，更灵活。

2. 基本语法与使用注意事项

• 语法
  • 创建ReentrantLock对象。
  • 在try块中调用lock方法获取锁。
  • 在finally块中调用unlock方法释放锁，确保锁一定释放，避免死锁。
• 注意事项：必须在finally块中释放锁，防止异常导致锁未释放引发死锁。

3. 底层实现原理

• 基于AQS实现：ReentrantLock底层依赖AbstractQueuedSynchronizer（AQS）实现，AQS维护同步状态和线程等待队列。
• 构造函数与锁类型
  • 无参构造函数默认创建非公平锁。
  • 带参数构造函数可传入特定参数创建公平锁或非公平锁。
• 工作方式
  • 非公平锁获取锁：线程先尝试通过CAS操作修改同步状态state，成功则获取锁并设置当前线程为持有锁线程；失败则进入等待队列，但进入队列前仍会再次尝试获取锁（插队行为），若此时锁可用可直接获取。
  • 公平锁获取锁：线程先检查等待队列中是否有前驱节点，有则进入等待队列按先来先得顺序获取锁；无前驱节点则尝试通过CAS操作获取锁。
  • 锁释放：释放锁时唤醒等待队列中的线程重新竞争锁。

4. 面试回答要点

• 强调ReentrantLock是可重入锁，同一线程可多次调用lock方法。
• 提及底层主要使用CAS和AQS实现，重点解释AQS工作原理。
• 说明ReentrantLock支持公平锁和非公平锁，无参构造函数默认是非公平锁，可传参设置公平锁。

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synchronized与lock的区别

1. 面试题引入
   • 题目：synchronized与lock有什么区别。
   • 回答思路：从语法、功能、性能三个层面回答，重点在功能层面。
2. 语法层面区别
   • 实现方式：synchronized是关键字，由JVM提供，C++语言实现；lock由JDK提供，用Java语言实现。
   • 锁释放机制：使用synchronized时，退出同步块会自动释放锁；lock需调用unlock才能释放锁。
3. 功能层面区别
   • 相同点：都属于悲观锁，具备互斥同步和锁重入功能。
   • 不同点：lock提供更多功能，如公平锁、可打断、可超时、多条件变量等。
     • 公平锁：使用ReentrantLock时，可通过带条件的构造函数传true实现。
     • 可打断锁
       • 演示代码：创建t1线程，使用lock.Interruptibly()方法开启可打断锁，若被打断抛异常，否则正常进入锁并释放锁。
     • 可超时锁
       • 演示代码：线程获取锁调用tryLock方法，成功返回true，失败返回false，可设置超时时间，超时后放弃获取锁或获取成功执行业务。
     • 多条件变量
       • 演示代码：创建锁后可多次调用new Condition声明多个条件变量，线程可按条件等待
4. 适合不同场景的实现及读写锁（功能层面）
   • ReentrantLock：与synchronized类似但功能更多。
   • 读写锁（ReentrantReadWriteLock）：能支撑更高并发量，读操作可不加锁，写操作需加锁，适用于大量读需求的场景。
5. 性能层面区别
   • 无竞争时：synchronized做了很多优化，如偏向锁、轻量级锁，性能还行。
   • 竞争激烈时：lock往往提供更好性能。

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死锁相关面试题讲解

1. 死锁产生条件及示例演示
   • 产生条件：一个线程同时获取多把锁时易发生死锁。
   • 示例代码分析：代码中有object a和object b两个对象，t1线程先获取a锁，在a锁代码块中再获取b锁；t2线程先获取b锁，在b锁代码块中再获取a锁，然后开启两个线程，程序会一直运行，出现死锁。
2. JDK工具诊断死锁问题介绍
   • 死锁情况：t1持有a锁等待b锁，t2持有b锁等待a锁，形成死锁。
   • 工具介绍：使用jdk提供的jps和jstack工具诊断死锁。jps可输出当前运行的所有进程状态信息，jstack可查看java进程内线程的堆栈信息。
   • 诊断步骤：先使用jps找到死锁代码的进程id（如24380），再使用jstack加进程id查看日志信息，日志最后会提示死锁，分析t1、t2线程等待和锁住的锁，以及可能出现问题的代码行数，根据提示打开代码分析多把锁导致的死锁问题并修改。

4. JDK可视化工具jconsole检查死锁
   • 工具介绍：jdk自带可视化工具jconsole，可用于jvm的内存、线程、类的监控。
   • 检查步骤：打开jconsole，选择本地连接，找到要监控的进程（如24380），选择不安全链接，点击线程选项卡中的检查死锁，可看到t2、t1线程发生死锁及相关日志，根据提示检查对应代码解决死锁问题。
5. VisualVM检查死锁及总结
   • 检查流程：找到VisualVM（安装目录与jconsole相同），双击打开，在本地选择要检查的进程（如24380），切换到进程权限，会提示检查到死锁，点击线程dump获取更多信息，日志中可看到与jstack类似的t1、t2线程等待和锁住锁的信息，根据提示的代码行号到附近查找问题。
   • 总结：死锁产生条件是一个线程同时获得多把锁。诊断方法可先使用jps和jstack，也可使用jconsole或VisualVM检查死锁问题，根据提示分析代码解决死锁。

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死锁产生的四个条件

死锁是指在多道程序环境下，多个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。在操作系统中，死锁产生的条件有以下四个：

1. 互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排他性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其他进程请求该资源，则请求者只能等待，直至占有该资源的进程释放。
2. 请求和保持条件：指进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
3. 不可剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4. 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程-资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

这四个条件是死锁产生的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。在实际操作系统中，为了避免死锁的发生，通常会采用一些策略来破坏这些条件，例如资源分配策略、死锁检测与恢复机制等。

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ConcurrentHashMap

Java 8的 ConcurrentHashMap 是线程安全的哈希表，有如下关键特性：

• 数据结构：采用数组加链表加红黑树结构。初始为数组，链表长度达阈值（8）且桶数超64时，链表转红黑树，提升查找效率。
• 并发控制：摒弃Java 7的分段锁，改用更细粒度的锁机制。使用 CAS 操作更新部分内容，对单个桶用 synchronized 同步，降低锁粒度，提升并发性能。
• 常用方法：put 用于插入键值对；get 根据键取值；compute 对指定键计算并更新或插入值；forEach 遍历键值对。
• 适用场景：适用于高并发、读多写少场景，以及多线程环境下需线程安全哈希表的情况。

2. JDK1.7的ConcurrentHashMap

结构

• 整体结构：采用分段的数组加链表实现。
• Segment数组：不能扩容，每个下标对应另一个可扩容数组，该数组可挂链表或直接存储数据。

添加数据逻辑

• 计算key哈希值定位Segment数组下标。
• 找到下标后用ReentrantLock锁住该位置。
• 再次通过哈希值定位哈希表数组位置存储数据。

存在问题

• 性能低：多个key定位到同一Segment下标时，只有一个线程能操作。
• 数组不能扩容：Segment数组长度在创建时确定。

3. JDK1.8的ConcurrentHashMap

结构优化

• 放弃Segment数组，采用与HashMap相同结构，即数组加链表加红黑树。

保证线程安全方式

• 添加新节点：通过CAS自旋操作保证数据安全。
• 已有链表或红黑树：用synchronized锁住首节点，锁力度更细，效率更高。

4. 对比总结

底层数据结构

• 1.7：分段的数组加链表。
• 1.8：数组加链表加红黑树。

锁的方式

• 1.7：Segment数组的分段锁（ReentrantLock），锁住范围大。
• 1.8：添加新节点用CAS，对链表或红黑树用synchronized锁首节点，性能更好。

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导致并发程序出现问题的根本原因

2. 并发编程三大特性
   • 原子性
     • 定义：线程在CPU中的操作不可暂停、中断，要么执行完成，要么不执行。
     • 抢票代码示例：有10张票，多线程抢票可能出现超卖或一张票卖给多人，证明代码非原子操作。
     • 解决方法：加锁（synchronized关键字、lock锁）使代码具有原子性。
   • 可见性
     • 定义：一个线程对共享变量修改后，要让另一个线程可见。
     • 代码示例：线程一循环取反共享变量flag，线程二将其改为true，但线程一可能读不到该修改，循环不退出。
     • 解决方法：加锁（性能不高）或在共享变量上使用volatile。
   • 有序性
     • 指令重排概念：处理器为提高效率可能打乱代码顺序执行，可能导致问题。
     • 代码示例：对共享变量x和y进行赋值和读取操作，若出现x = 1, y = 0的情况，可能是指令重排序。
     • 解决方法：在共享变量上添加volatile（最好在y上添加）禁止指令重排序。
3. 总结
   • 回答导致并发程序出现问题的根本原因时，需提及并发编程的三大特性及解决方法。
   • 原子性用sync或lock锁解决；内存可见性推荐用volatile，也可用锁；有序性通过在共享变量上加volatile禁止指令重排序。