阿里面试,问了我乐观锁、悲观锁、AQS、sync和Lock,这个回答让我拿了offer
前言
关于线程安全一提到可能就是加锁,在面试中也是面试官百问不厌的考察点,往往能看出面试者的基本功和是否对线程安全有自己的思考。
那锁本身是怎么去实现的呢?又有哪些加锁的方式呢?
我今天就简单聊一下乐观锁和悲观锁,他们对应的实现 CAS ,Synchronized,ReentrantLock
正文
一个120斤一身黑的小伙子走了进来,看到他微微发福的面容,看来是最近疫情伙食好运动少的结果,他难道就是今天的面试官渣渣丙?
等等难道是他?前几天刷B站看到的不会是他吧!!!
是的我已经开始把面试系列做成视频了,以后会有各种级别的面试,从大学生到阿里P7+的面试,还有阿里,拼多多,美团,字节风格的面试我也都约好人了,就差时间了,大家可以去B站搜:三太子敖丙 观看
我也不多跟你BB了,我们直接开始好不好,你能跟我聊一下CAS么?
CAS(Compare And Swap 比较并且替换)是乐观锁的一种实现方式,是一种轻量级锁,JUC 中很多工具类的实现就是基于 CAS 的。
CAS 是怎么实现线程安全的?
线程在读取数据时不进行加锁,在准备写回数据时,先去查询原值,操作的时候比较原值是否修改,若未被其他线程修改则写回,若已被修改,则重新执行读取流程。
举个栗子:现在一个线程要修改数据库的name,修改前我会先去数据库查name的值,发现name=“帅丙”,拿到值了,我们准备修改成name=“三歪”,在修改之前我们判断一下,原来的name是不是等于“帅丙”,如果被其他线程修改就会发现name不等于“帅丙”,我们就不进行操作,如果原来的值还是帅丙,我们就把name修改为“三歪”,至此,一个流程就结束了。
有点懵?理一下停下来理一下思路。
Tip:比较+更新 整体是一个原子操作,当然这个流程还是有问题的,我下面会提到。
他是乐观锁的一种实现,就是说认为数据总是不会被更改,我是乐观的仔,每次我都觉得你不会渣我,差不多是这个意思。
你这个栗子不错,他存在什么问题呢?
有,当然是有问题的,我也刚好想提到。
你们看图发现没,要是结果一直就一直循环了,CUP开销是个问题,还有ABA问题和只能保证一个共享变量原子操作的问题。
你能分别介绍一下么?
好的,我先介绍一下ABA这个问题,直接口述可能有点抽象,我画图解释一下:
看到问题所在没,我说一下顺序:
- 线程1读取了数据A
- 线程2读取了数据A
- 线程2通过CAS比较,发现值是A没错,可以把数据A改成数据B
- 线程3读取了数据B
- 线程3通过CAS比较,发现数据是B没错,可以把数据B改成了数据A
- 线程1通过CAS比较,发现数据还是A没变,就写成了自己要改的值
懂了么,我尽可能的幼儿园化了,在这个过程中任何线程都没做错什么,但是值被改变了,线程1却没有办法发现,其实这样的情况出现对结果本身是没有什么影响的,但是我们还是要防范,怎么防范我下面会提到。
循环时间长开销大的问题:
是因为CAS操作长时间不成功的话,会导致一直自旋,相当于死循环了,CPU的压力会很大。
只能保证一个共享变量的原子操作:
CAS操作单个共享变量的时候可以保证原子的操作,多个变量就不行了,JDK 5之后 AtomicReference可以用来保证对象之间的原子性,就可以把多个对象放入CAS中操作。
我还记得你之前说在JUC包下的原子类也是通过这个实现的,能举个栗子么?
那我就拿AtomicInteger举例,他的自增函数incrementAndGet()就是这样实现的,其中就有大量循环判断的过程,直到符合条件才成功。
大概意思就是循环判断给定偏移量是否等于内存中的偏移量,直到成功才退出,看到do while的循环没。
乐观锁在项目开发中的实践,有么?
有的就比如我们在很多订单表,流水表,为了防止并发问题,就会加入CAS的校验过程,保证了线程的安全,但是看场景使用,并不是适用所有场景,他的优点缺点都很明显。
那开发过程中ABA你们是怎么保证的?
加标志位,例如搞个自增的字段,操作一次就自增加一,或者搞个时间戳,比较时间戳的值。
举个栗子:现在我们去要求操作数据库,根据CAS的原则我们本来只需要查询原本的值就好了,现在我们一同查出他的标志位版本字段vision。
之前不能防止ABA的正常修改:
update table set value = newValue where value = #{oldValue}//oldValue就是我们执行前查询出来的值
带版本号能防止ABA的修改:
update table set value = newValue ,vision = vision + 1 where value = #{oldValue} and vision = #{vision} // 判断原来的值和版本号是否匹配,中间有别的线程修改,值可能相等,但是版本号100%不一样
除了版本号,像什么时间戳,还有JUC工具包里面也提供了这样的类,想要扩展的小伙伴可以去了解一下。
聊一下悲观锁?
悲观锁从宏观的角度讲就是,他是个渣男,你认为他每次都会渣你,所以你每次都提防着他。
我们先聊下JVM层面的synchronized:
synchronized加锁,synchronized 是最常用的线程同步手段之一,上面提到的CAS是乐观锁的实现,synchronized就是悲观锁了。
它是如何保证同一时刻只有一个线程可以进入临界区呢?
synchronized,代表这个方法加锁,相当于不管哪一个线程(例如线程A),运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程B(或者C、 D等)正在用这个方法(或者该类的其他同步方法),有的话要等正在使用synchronized方法的线程B(或者C 、D)运行完这个方法后再运行此线程A,没有的话,锁定调用者,然后直接运行。
我分别从他对对象、方法和代码块三方面加锁,去介绍他怎么保证线程安全的:
synchronized 对对象进行加锁,在 JVM 中,对象在内存中分为三块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance
Data)和对齐填充(Padding)。对象头:我们以Hotspot虚拟机为例,Hotspot的对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Klass Pointer(类型指针)。
- Mark Word:默认存储对象的HashCode,分代年龄和锁标志位信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间,也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
- Klass Point:对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
你可以看到在对象头中保存了锁标志位和指向 monitor 对象的起始地址,如下图所示,右侧就是对象对应的 Monitor 对象。
当 Monitor 被某个线程持有后,就会处于锁定状态,如图中的 Owner 部分,会指向持有 Monitor 对象的线程。
另外 Monitor 中还有两个队列分别是EntryList和WaitList,主要是用来存放进入及等待获取锁的线程。
如果线程进入,则得到当前对象锁,那么别的线程在该类所有对象上的任何操作都不能进行。
在对象级使用锁通常是一种比较粗糙的方法,为什么要将整个对象都上锁,而不允许其他线程短暂地使用对象中其他同步方法来访问共享资源?
如果一个对象拥有多个资源,就不需要只为了让一个线程使用其中一部分资源,就将所有线程都锁在外面。
由于每个对象都有锁,可以如下所示使用虚拟对象来上锁:
java class FineGrainLock{ MyMemberClassx,y; Object xlock = new Object(), ylock = newObject(); public void foo(){ synchronized(xlock){ //accessxhere } //dosomethinghere-butdon'tusesharedresources synchronized(ylock){ //accessyhere } } public void bar(){ synchronized(this){ //accessbothxandyhere } //dosomethinghere-butdon'tusesharedresources } }
synchronized 应用在方法上时,在字节码中是通过方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来实现的。
我反编译了一小段代码,我们可以看一下我加锁了一个方法,在字节码长啥样,flags字段瞩目:
javascript synchronized void test(); descriptor: ()V flags: ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=0, locals=1, args_size=1 0: return LineNumberTable: line 7: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 1 0 this Ljvm/ClassCompile;
反正其他线程进这个方法就看看是否有这个标志位,有就代表有别的仔拥有了他,你就别碰了。
synchronized 应用在同步块上时,在字节码中是通过 monitorenter 和 monitorexit 实现的。
每个对象都会与一个monitor相关联,当某个monitor被拥有之后就会被锁住,当线程执行到monitorenter指令时,就会去尝试获得对应的monitor。
步骤如下:
- 每个monitor维护着一个记录着拥有次数的计数器。未被拥有的monitor的该计数器为0,当一个线程获得monitor(执行monitorenter)后,该计数器自增变为 1 。
- 当同一个线程再次获得该monitor的时候,计数器再次自增;
- 当不同线程想要获得该monitor的时候,就会被阻塞。
当同一个线程释放 monitor(执行monitorexit指令)的时候,计数器再自减。
当计数器为0的时候,monitor将被释放,其他线程便可以获得monitor。
同样看一下反编译后的一段锁定代码块的结果:
public void syncTask(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=3, locals=3, args_size=1 0: aload_0 1: dup 2: astore_1 3: monitorenter //注意此处,进入同步方法 4: aload_0 5: dup 6: getfield #2 // Field i:I 9: iconst_1 10: iadd 11: putfield #2 // Field i:I 14: aload_1 15: monitorexit //注意此处,退出同步方法 16: goto 24 19: astore_2 20: aload_1 21: monitorexit //注意此处,退出同步方法 22: aload_2 23: athrow 24: return Exception table: //省略其他字节码.......
小结:
同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。
两者的区别:同步方式是通过方法中的access_flags中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现,同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现。
我们知道了每个对象都与一个monitor相关联,而monitor可以被线程拥有或释放。
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