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⑤ JAVA 多线程与高并发

智云科技 发布于 2022年12月7日 评论关闭 阅读(111)

1. Synchronize为什么是重量级的

2. 如何将Synchronized降为轻量级（锁只能够升级不会降级）

3. 什么是CAS

4. CAS的ABA问题如何解决

5. Synchronized与ReenTrantLock的底层实现及重入的底层原理，异同点

6. 锁的四种状态与升级过程

7. 谈一下AQS，AQS的底层为什么是CAS+volatile

8. volatile的理解

9. 描述对象的创建过程（半初始化操作）

10. DCL单例为什么要加volatile

11. Object o = new Object() 在内存中占用多少个字节

12. as-if-serial与happens-before的语义理解

13. ThreadLocal如何解决内存泄露的

14. 锁的分类与在JDK中的应用

15. 自旋锁一定比重量级锁效率高么

16. 打开偏向锁是否效率一定会提升

17. atomic的底层原理

18. 锁重入与锁解锁 —支持重写

1. Synchronized 为什么是重量级锁

  • 重量级锁：申请锁资源需要经过操作系统调用，需要经过操作系统内核kernel

3. 什么是CAS

CAS是一种锁的操作，是一种乐观锁。

CAS：compare and swap

CAS有三个参数：CAS(E,V,N) E需要更新的对象，V对象的原值，N需要更换后的值。

操作的时候，只有当E的值与V相等的时候，才会将E的值更新为N，否则就不执行更新操作。

在多线程的情况下，当返回失败的时候会继续调用CAS方法，直到成功。

无锁或者自旋锁。

CAS的问题：

  • （1）会产生ABA问题：读取值的时候为A，更新的时候还是A，但是中间A可能改完B，然后B又被改成A。
  • 解决方法：加上版本号。AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference方法。
  • （2）高并发情况一直循环，大量消耗CPU。

在执行compareAndSwapInt方法的时候，调用的是底层的汇编指令 lock cmpxchg 锁定系统总线。

4. CAS的ABA问题如何解决

  • 给对象加上版本号，每次比较的时候带上版本号进行比较

5. Synchronized与ReenTrantLock的底层实现及重入的底层原理，异同点

5.1 ReenTrantLock是通过CAS与AQS队列来实现的。

  • 1. ReenTrantLock支持公平锁与非公平锁，默认为非公平锁，通过new ReenTrantLock(true)参数为true来实例化公平锁。
  • 2. ReenTrantLock通过lock()与unlock()方法来进行加、解锁
  • 3. ReenTrantLock是一个可重入锁
  1. lock方法调用了compareAndSetState(int 0,int 1)方法【非公平锁有这样步骤】，底层是Unsafe类型的compareAndSwapInt方法，CAS自旋（底层是汇编的Lock CMPXCHG指令），
  2. 如果compareAndSetState方法成功，则获取锁信息，设置独占锁的信息为当前的线程。
  3. 如果没有获取锁，都会去调用acquire(1)【AQS-AbstractQueueSynchronized】方法（源码在AQS视图里面），要么获取锁，要么加入CHL队列进行等待。
  • unlock()方法 调用的是AQS的release方法（源码在AQS视图里面）
  • lockInterruptibly()调用的是AQS的AcquireInterruptibly(int arg)方法，响应中断获取锁方式

5.2 Synchronized （JDK1.6版本优化）

JVM级别的锁，通过monitor对象来进行锁操作的。monitorenter和monitorexit

1. Synchronized修饰的对象不同

  • 1.1 Synchronized修饰在实例方法的时候 public synchronized void test(){}， 反编译后可以看见方法上提交了ACC_SYNCHRONIZED修饰符，JVM如果扫描到存在ACC_SYNCHRONIZED修饰符会调用Monitor对象，对方法添加锁信息，方法执行结束后会调用monitorexit释放锁。
  • 1.2 Synchronized修饰在类成员方法（静态方法）的时候，public synchronized static void test(){} 反编译也会存在ACC_SYNCHRONIZED修饰符，和上面情况一样。
  • 1.3 Synchronized修饰在对象上的时候， synchronized(this){}，反编译后会在方法前后加上monitorenter与monitorexit指令。
  • 1.1.1 monitorenter指令表示获取锁对象的monitor对象，执行monitorenter指令的时候会在monitor对象里面的count进行加一操作，执行monitorexit会对count进行减一操作。

Synchronized锁的信息保存在对象的头信息的Mark Word的后两位里面。结构存在“多线程与高并发（锁）”里面。

差异：

  • 1. 底层实现：
  • Synchronized是JVM层级的锁，是JAVA的关键字，通过monitor（monitorenter、monitorexit）指令来进行锁的操作。只有在同步代码块中才能够调用wait与notify方法；
  • ReenTrantLock是JDK1.5以来提供的API层级的锁。
  • 2.是否可以中断
  • Synchronized是不可中断的锁类型，除非执行过程中报异常或者正常执行结束。
  • ReenTrantLock是可以中断的锁，使用tryAcquire(int arg,TimeOut time)超时中断或者acquireInterruptibly()方法调用interrupt中断。
  • 3.是否需要手动释放
  • Synchronized是可以在代码执行结束后自己释放锁的，不需要手动释放
  • ReenTrantLock的加锁与解锁需要手动控制，通过lock()、unlock()方法在try\finally代码块中执行，如果不手动释放锁会导致死锁产生。
  • 4.是否公平锁
  • Synchronized是非公平锁
  • ReenTrantLock默认是非公平锁，可以在初始化的时候通过构造函数new ReenTrantLock(flag)来初始化锁是否为公平或非公平，true为公平锁，false为非公平锁
  • 5. 锁上是否可以绑定条件condition
  • Synchronized不能够绑定condition，Synchronized只能够通过Object类的wait()/notify()/notifyAll()方法来随机唤醒一个或者唤醒所有线程；
  • ReenTrantLock可以通过Condition类来绑定condition，通过await()/signal()方法来精确唤醒线程
  • 6.锁的对象
  • Synchronized锁的是对象，锁信息保存在对象头的Mark Word里面
  • ReenTrantLock锁的是线程，线程的信息存储在CHL队列的Node节点里面

6. 锁的四种状态与升级过程

状态：

  • 1. 无锁
  • 2. 偏向锁
  • 3. 轻量级锁（自旋锁）
  • 4. 重量级锁

锁升级的过程：

  • 1. 线程A在进入同步代码块前，先检查Mark Word中的线程ID是否为A的ID，如果为A的ID，这A获取该锁，否则判断这个锁是否为偏向锁。
  • 2. 如果这个锁不是偏向锁，则A进行自转，等待锁的释放。
  • 3.如果锁为偏向锁，判断该线程是否存在（偏向锁不会主动释放锁），如果不存在，则把线程ID改成A的ID。
  • 4. 如果存在，则暂停该线程，并将锁的标志位升级为00即轻量级锁（将Mark Word中信息复制到该线程的栈帧中，同时在Mark Work设置栈帧中的锁记录
  • Lock record指针），线程A在外自旋等待锁的释放。
  • 5. 当线程A自旋次数到达设定的自旋上限（默认10），线程锁还没有释放，或者A在自旋过程中，又有其它的线程过来竞争这个锁对象（竞争加剧），这个时候会将轻量级锁升级为重量级锁，外部的线程都进入等待队列，不再自旋抢锁，当锁释放后，会唤醒所有的等待线程，让他们重新竞争锁。
  • 注：JDK1.6后，轻量级锁升级为重量级锁是JVM控制的，自适应操作

8. volatile的理解

不能够保证程序的原子性，Synchronized可以

  • 1）指令重排序
  • 2）程序可见性

缓存一致性协议 MESI

  • 1. 缓存一致性 volatile修饰
  • 1.1 当线程修改一个共享变量后，会立刻将修改的内容刷新到主存中，确保主存中的数据永远是最新的。
  • 1.2 当前线程修改某一共享变量后，系统会通知所有使用该变量的线程，该对象状态已经为无效状态了，需要重新去主存中获取最新的内容，再次读取到工作缓存中

9. 描述对象的创建过程（半初始化操作）

int a=8;

  • 1）分配内存空间 a=0
  • 2）初始化对象 a=8
  • 3）将内存空间的地址赋值给对象的引用 a=8

10. DCL单例为什么要加volatile

  • 在对象的初始化过程中，如果不加volatile参数，上面的第2与3步可能会发送指令重排序操作，这个时候变量的值就有可能为a=0

12. as-if-serial与happens-before的语义理解

  • as-if-serial 不管如何重排序，单线程执行的结果不会改变
  • happens-before JVM重排序规则 8种 4种内存屏障 LL SS LS SL

17. atomic的底层实现原理

atomic：底层是通过自旋+CAS来实现的，CAS解决并发原子性操作。

  • 1.调用Unsafe类，直接访问对象的内存
  • 2.使用getIntVolatile(var1,var2)方法，获取线程间共享变量
  • 3.使用CAS尝试机制，进行更新数据
  • 4. 使用Atomic是在硬件和寄存器上进行阻塞，而不是代码、线程

do..while..自旋代码在高并发的情况下会加大执行次数，消耗CPU，在低并发的情况下比较有优势，因为不进入内核态，会提高一定的性能。 

 Unsafe类中的getAndAddInt方法
public final int getAndAddInt(Object var1,long var2,int var4){
  int var5;
  do{
   var5 = this.getIntVolatile(var1,var2);
   //使用unsafe的native方法，实现高效的硬件级别CAS
  }while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var4));
  
  return var5;
 }

补充：线程基本概念

Synchronized

volatile

AtomicXXX

各种JUC的同步锁

  • ReenTrantLock 排它锁、公平锁
  • CountDownLatch 门栓 latch.await()阻塞，countDown()为0的时候才会执行后面方法
  • CyclicBarrier 栅栏，满多少个线程后，执行CyclicBarrier里面定义的线程
  • Phaser 分段执行线程
  • ReadWriteLock 读写锁
  • ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
  • Semaphore 限流，限制只允许获取acqurie()成功的线程执行
  • Exchanger exchange()交换线程引用
  • LockSupport unpark() park() 较灵活的暂停与启动
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文章来源：智云一二三科技

文章标题：⑤ JAVA 多线程与高并发

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