1、Java Concurrent API 中的 Lock 接口(Lock interface)是什么？對(duì)比同步它有什么優(yōu)勢(shì)？

答：Lock 接口比同步方法和同步塊提供了更具擴(kuò)展性的鎖操作。他們?cè)试S更靈活的結(jié)構(gòu)，可以具有完全不同的性質(zhì)，并且可以支持多個(gè)相關(guān)類的條件對(duì)象。

優(yōu)勢(shì)：

• 可以使鎖更公平；
• 可以使線程在等待鎖的時(shí)候響應(yīng)中斷；
• 可以讓線程嘗試獲取鎖，并在無(wú)法獲取鎖的時(shí)候立即返回或者等待一段時(shí)間；
• 可以在不同的范圍，以不同的順序獲取和釋放鎖；

整體上來(lái)說(shuō) Lock 是 synchronized 的擴(kuò)展版，Lock 提供了無(wú)條件的、可輪詢的(tryLock()方法)、定時(shí)的(tryLock() 帶參方法)、可中斷的(lockInterruptibly())、可多條件隊(duì)列的(newCondition() 方法)鎖操作。另外Lock 的實(shí)現(xiàn)類基本都支持非公平鎖(默認(rèn))和公平鎖，synchronized 只支持非公平鎖，當(dāng)然，在大部分情況下，非公平鎖是高效的選擇。

2、什么是CAS？

• CAS 是 compare and swap 的縮寫，即我們所說(shuō)的比較交換。
• CAS是一種基于鎖的操作，而且是樂(lè)觀鎖。在 Java 中鎖分為樂(lè)觀鎖和悲觀鎖。悲觀鎖是將資源鎖住，等一個(gè)之前獲得鎖的線程釋放鎖之后，下一個(gè)線程才可以訪問(wèn)。而樂(lè)觀鎖采取了一種寬泛的態(tài)度，通過(guò)某種方式不加鎖來(lái)處理資源，比如通過(guò)給記錄加 version 來(lái)獲取數(shù)據(jù)，性能較悲觀鎖有很大的提高。
• CAS 操作包含三個(gè)操作數(shù) ——內(nèi)存位置（V）、預(yù)期原值（A）和新值(B)。如果內(nèi)存地址里面的值和 A的值是一樣的，那么就將內(nèi)存里面的值更新成B。CAS 是通過(guò)無(wú)限循環(huán)來(lái)獲取數(shù)據(jù)的，若果在第一輪循環(huán)中，a 線程獲取地址里面的值被b線程修改了，那么a 線程需要自旋，到下次循環(huán)才有可能機(jī)會(huì)執(zhí)行。
• java.util.concurrent.atomic 包下的類大多是使用 CAS 操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的(AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicLong)。

3、樂(lè)觀鎖和悲觀鎖的理解及如何實(shí)現(xiàn)，有哪些實(shí)現(xiàn)方式？

• 悲觀鎖： 總是假設(shè)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。再比如 Java 里面的同步原語(yǔ)synchronized 關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)也是悲觀鎖。
• 樂(lè)觀鎖： 顧名思義，就是很樂(lè)觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒(méi)有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)等機(jī)制。樂(lè)觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫(kù)提供的類似于write_condition機(jī)制，其實(shí)都是提供。樂(lè)觀鎖。在Java中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子變量類就是使用了樂(lè)觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式CAS 實(shí)現(xiàn)的。

3.1、樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)方式：

• 使用版本標(biāo)識(shí)來(lái)確定讀到的數(shù)據(jù)與提交時(shí)的數(shù)據(jù)是否一致。提交后修改版本標(biāo)識(shí)，不一致時(shí)可以采取丟棄和再次嘗試的策略。
• Java 中的 Compare and Swap 即 CAS ，當(dāng)多個(gè)線程嘗試使用 CAS同時(shí)更新同一個(gè)變量時(shí)，只有其中一個(gè)線程能更新變量的值，而其它線程都失敗，失敗的線程并不會(huì)被掛起，而是被告知這次競(jìng)爭(zhēng)中失敗，并可以再次嘗試。

3.2、CAS 操作中包含三個(gè)操作數(shù)

• 需要讀寫的內(nèi)存位置（V）
• 進(jìn)行比較的預(yù)期原值（A）
• 擬寫入的新值(B)

如果內(nèi)存位置 V 的值與預(yù)期原值 A 相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值 B。否則處理器不做任何操作。

4、CAS 的會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題？

• ABA 問(wèn)題： 比如說(shuō)一個(gè)線程 one 從內(nèi)存位置 V 中取出 A，這時(shí)候另一個(gè)線程two 也從內(nèi)存中取出 A，并且two 進(jìn)行了一些操作變成了 B，然后 two 又將 V 位置的數(shù)據(jù)變成 A，這時(shí)候線程 one 進(jìn)行CAS 操作發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中仍然是 A，然后 one 操作成功。盡管線程 one 的 CAS 操作成功，但可能存在潛藏的問(wèn)題。從Java1.5 開(kāi)始 JDK 的 atomic包里提供了一個(gè)類 AtomicStampedReference 來(lái)解決 ABA 問(wèn)題。
• 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大： 對(duì)于資源競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重（線程沖突嚴(yán)重）的情況，CAS 自旋的概率會(huì)比較大，從而浪費(fèi)更多的 CPU資源，效率低于synchronized。
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作： 當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán) CAS 的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán) CAS 就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖。

5、AQS？

答：AQS 隊(duì)列同步器是用來(lái)構(gòu)建鎖或其他同步組件的基礎(chǔ)框架，它使用一個(gè) volatile int state 變量作為共享資源，如果線程獲取資源失敗，則進(jìn)入同步隊(duì)列等待；如果獲取成功就執(zhí)行臨界區(qū)代碼，釋放資源時(shí)會(huì)通知同步隊(duì)列中的等待線程。比如我們提到的ReentrantLock，Semaphore，其他的諸如ReentrantReadWriteLock，SynchronousQueue，FutureTask等等皆是基于AQS的。

同步器的主要使用方式是繼承，子類通過(guò)繼承同步器并實(shí)現(xiàn)它的抽象方法來(lái)管理同步狀態(tài)，對(duì)同步狀態(tài)進(jìn)行更改需要使用同步器提供的 3個(gè)方法 getState() 、setState() 和 compareAndSetState() ，它們保證狀態(tài)改變是安全的。子類推薦被定義為自定義同步組件的靜態(tài)內(nèi)部類，同步器自身沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何同步接口，它僅僅定義若干同步狀態(tài)獲取和釋放的方法，同步器既支持獨(dú)占式也支持共享式。同步器是實(shí)現(xiàn)鎖的關(guān)鍵，在鎖的實(shí)現(xiàn)中聚合同步器，利用同步器實(shí)現(xiàn)鎖的語(yǔ)義。鎖面向使用者，定義了使用者與鎖交互的接口，隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)；同步器面向鎖的實(shí)現(xiàn)者，簡(jiǎn)化了鎖的實(shí)現(xiàn)方式，屏蔽了同步狀態(tài)管理、線程排隊(duì)、等待與喚醒等底層操作。

每當(dāng)有新線程請(qǐng)求資源時(shí)都會(huì)進(jìn)入一個(gè)等待隊(duì)列，只有當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖資源后該線程才能持有資源。等待隊(duì)列通過(guò)雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，線程被封裝在鏈表的 Node 節(jié)點(diǎn)中，Node 的等待狀態(tài)包括：

• CANCELLED（線程已取消）
• SIGNAL（線程需要喚醒）
• CONDITION（線程正在等待）
• PROPAGATE（后繼節(jié)點(diǎn)會(huì)傳播喚醒操作，只在共享模式下起作用）。

6、AQS的原理？

• 獲取同步狀態(tài)： 調(diào)用 acquire() 方法，維護(hù)一個(gè)同步隊(duì)列，使用 tryAcquire() 方法安全地獲取線程同步狀態(tài)，獲取失敗的線程會(huì)被構(gòu)造同步節(jié)點(diǎn)并通過(guò) addWaiter() 方法加入到同步隊(duì)列的尾部，在隊(duì)列中自旋。之后調(diào)用 acquireQueued() 方法使得該節(jié)點(diǎn)以死循環(huán)的方式獲取同步狀態(tài)，如果獲取不到則阻塞，被阻塞線程的喚醒主要依靠前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的出隊(duì)或被中斷實(shí)現(xiàn)，移出隊(duì)列或停止自旋的條件是前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是頭結(jié)點(diǎn)且成功獲取了同步狀態(tài)。
• 釋放同步狀態(tài)： 同步器調(diào)用tryRelease() 方法釋放同步狀態(tài)，然后調(diào)用 unparkSuccessor() 方法喚醒頭節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，使后繼節(jié)點(diǎn)重新嘗試獲取同步狀態(tài)。

6.1、CLH隊(duì)列：

答： CLH(Craig,Landin,and Hagersten)隊(duì)列是一個(gè)虛擬的雙向隊(duì)列（虛擬的雙向隊(duì)列即不存在隊(duì)列實(shí)例，僅存在結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系）。AQS是將每條請(qǐng)求共享資源的線程封裝成一個(gè)CLH鎖隊(duì)列的一個(gè)結(jié)點(diǎn)(Node)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的分配。

6.2、AQS原理圖

答： 獲取同步狀態(tài)時(shí)，調(diào)用 acquire() 方法，維護(hù)一個(gè)同步隊(duì)列，使用 tryAcquire() 方法安全地獲取線程同步狀態(tài)，獲取失敗的線程會(huì)被構(gòu)造同步節(jié)點(diǎn)并通過(guò) addWaiter() 方法加入到同步隊(duì)列的尾部，在隊(duì)列中自旋。之后調(diào)用 acquireQueued() 方法使得該節(jié)點(diǎn)以死循環(huán)的方式獲取同步狀態(tài)，如果獲取不到則阻塞，被阻塞線程的喚醒主要依靠前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的出隊(duì)或被中斷實(shí)現(xiàn)，移出隊(duì)列或停止自旋的條件是前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
是頭結(jié)點(diǎn)且成功獲取了同步狀態(tài)。

釋放同步狀態(tài)時(shí)，同步器調(diào)用 tryRelease() 方法釋放同步狀態(tài)，然后調(diào)用 unparkSuccessor() 方法喚醒頭節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，使后繼節(jié)點(diǎn)重新嘗試獲取同步狀態(tài)。

AQS使用一個(gè)int成員變量來(lái)表示同步狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)置的FIFO隊(duì)列來(lái)完成獲取資源線程的排隊(duì)工作。AQS使用CAS對(duì)該同步狀態(tài)進(jìn)行原子操作實(shí)現(xiàn)對(duì)其值的修改。

private volatile int state;//共享變量，使用volatile修飾保證線程可見(jiàn)性

狀態(tài)信息通過(guò)protected類型的getState()，setState()，compareAndSetState()進(jìn)行操作：

//返回同步狀態(tài)的當(dāng)前值
protected final int getState() { 
    return state;
}
// 設(shè)置同步狀態(tài)的值
protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}
//原子地（CAS操作）將同步狀態(tài)值設(shè)置為給定值update如果當(dāng)前同步狀態(tài)的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

6.3、AQS對(duì)資源的共享方式

答：AQS定義兩種資源共享方式，獨(dú)占模式通過(guò) acquire 和 release 方法獲取和釋放鎖，共享模式通過(guò)acquireShared 和 releaseShared 方法獲取和釋放鎖。

• Exclusive（獨(dú)占）：只有一個(gè)線程能執(zhí)行，如ReentrantLock。又可分為公平鎖和非公平鎖：
  • 公平鎖：按照線程在隊(duì)列中的排隊(duì)順序，先到者先拿到鎖；
  • 非公平鎖：當(dāng)線程要獲取鎖時(shí)，無(wú)視隊(duì)列順序直接去搶鎖，誰(shuí)搶到就是誰(shuí)的。
• Share（共享）：多個(gè)線程可同時(shí)執(zhí)行，如Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我們都會(huì)在后面講到。

ReentrantReadWriteLock 可以看成是組合式，因?yàn)?code>ReentrantReadWriteLock也就是讀寫鎖允許多個(gè)線程同時(shí)對(duì)某一資源進(jìn)行讀。

不同的自定義同步器爭(zhēng)用共享資源的方式也不同。自定義同步器在實(shí)現(xiàn)時(shí)只需要實(shí)現(xiàn)共享資源 state 的獲取與釋放方式即可，至于具體線程等待隊(duì)列的維護(hù)（如獲取資源失敗入隊(duì)/喚醒出隊(duì)等），AQS已經(jīng)在頂層實(shí)現(xiàn)好了。

6.4、AQS底層使用了模板方法模式

答： 同步器的設(shè)計(jì)是基于模板方法模式的，如果需要自定義同步器一般的方式是這樣（模板方法模式很經(jīng)典的一個(gè)應(yīng)用）：

• 使用者繼承AbstractQueuedSynchronizer并重寫指定的方法。（這些重寫方法很簡(jiǎn)單，無(wú)非是對(duì)于共享資源state的獲取和釋放）
• 將AQS組合在自定義同步組件的實(shí)現(xiàn)中，并調(diào)用其模板方法，而這些模板方法會(huì)調(diào)用使用者重寫的方法。

6.5、AQS使用了模板方法模式，自定義同步器時(shí)需要重寫下面幾個(gè)AQS提供的模板方法。

//該線程是否正在獨(dú)占資源。只有用到condition才需要去實(shí)現(xiàn)它。
isHeldExclusively()
//獨(dú)占方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryAcquire(int)
//獨(dú)占方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryRelease(int)
//共享方式。嘗試獲取資源。負(fù)數(shù)表示失??；0表示成功，但沒(méi)有剩余可用資源；正數(shù)表示成功，且有剩余資源。
tryAcquireShared(int)
//共享方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryReleaseShared(int)

答： 默認(rèn)情況下，每個(gè)方法都拋出 UnsupportedOperationException 。 這些方法的實(shí)現(xiàn)必須是內(nèi)部線程安全的，并且通常應(yīng)該簡(jiǎn)短而不是阻塞。AQS類中的其他方法都是final ，所以無(wú)法被其他類使用，只有這幾個(gè)方法可以被其他類使用：

• 以ReentrantLock為例，state初始化為0，表示未鎖定狀態(tài)。A線程lock()時(shí)，會(huì)調(diào)用tryAcquire()獨(dú)占該鎖并將state+1。此后，其他線程再tryAcquire()時(shí)就會(huì)失敗，直到A線程unlock()到state=0（即釋放鎖）為止，其它線程才有機(jī)會(huì)獲取該鎖。當(dāng)然，釋放鎖之前，A線程自己是可以重復(fù)獲取此鎖的（state會(huì)累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多么次，這樣才能保證state是能回到零態(tài)的。
• 再以CountDownLatch以例，任務(wù)分為N個(gè)子線程去執(zhí)行，state也初始化為N（注意N要與線程個(gè)數(shù)一致）。這N個(gè)子線程是并行執(zhí)行的，每個(gè)子線程執(zhí)行完后countDown()一次，state會(huì)CAS(Compare and Swap)減1。等到所有子線程都執(zhí)行完后(即state=0)，會(huì)unpark()調(diào)用主線程，然后主調(diào)用線程就會(huì)從await()函數(shù)返回，繼續(xù)后面動(dòng)作。

一般來(lái)說(shuō)，自定義同步器要么是獨(dú)占方法，要么是共享方式，他們也只需實(shí)現(xiàn) tryAcquire-tryRelease 、 tryAcquireShared-tryReleaseShared 中的一種即可。但AQS也支持自定義同步器同時(shí)實(shí)現(xiàn)獨(dú)占和共享兩種方式，如 ReentrantReadWriteLock 。

7、為什么只有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是頭節(jié)點(diǎn)時(shí)才能嘗試獲取同步狀態(tài)？

答： 頭節(jié)點(diǎn)是成功獲取到同步狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，后繼節(jié)點(diǎn)的線程被喚醒后需要檢查自己的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是否是頭節(jié)
點(diǎn)。

目的：維護(hù)同步隊(duì)列的 FIFO 原則，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)在循環(huán)檢查的過(guò)程中基本不通信，而是簡(jiǎn)單判斷自己的前驅(qū)是否為頭節(jié)點(diǎn)，這樣就使節(jié)點(diǎn)的釋放規(guī)則符合 FIFO，并且也便于對(duì)過(guò)早通知的處理，過(guò)早通知指前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不是頭節(jié)點(diǎn)的線程由于中斷被喚醒。

8、AQS共享式式獲取/釋放鎖的原理？

答：

• 同步狀態(tài)： 調(diào)用 acquireShared() 方法，該方法調(diào)用 tryAcquireShared() 方法嘗試獲取同步狀態(tài)，返回值為int 類型，返回值不小于0 表示能獲取同步狀態(tài)。因此在共享式獲取鎖的自旋過(guò)程中，成功獲取同步狀態(tài)并退出自旋的條件就是該方法的返回值不小于0。
• 釋放同步狀態(tài)： 調(diào)用 releaseShared() 方法，釋放后會(huì)喚醒后續(xù)處于等待狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)。它和獨(dú)占式的區(qū)別在于 tryReleaseShared() 方法必須確保同步狀態(tài)安全釋放，通過(guò)循環(huán) CAS 保證，因?yàn)獒尫磐綘顟B(tài)的操作會(huì)同時(shí)來(lái)自多個(gè)線程。

9、什么是可重入鎖（ReentrantLock）？

答：ReentrantLock重入鎖，是實(shí)現(xiàn)Lock接口的一個(gè)類，也是在實(shí)際編程中使用頻率很高的一個(gè)鎖，支持重入性，表示能夠?qū)蚕碣Y源能夠重復(fù)加鎖，即當(dāng)前線程獲取該鎖再次獲取不會(huì)被阻塞。

在Java關(guān)鍵字synchronized隱式支持重入性，synchronized通過(guò)獲取自增，釋放自減的方式實(shí)現(xiàn)重入。與此同時(shí)，ReentrantLock還支持公平鎖和非公平鎖兩種方式。

重入性的實(shí)現(xiàn)原理

答： 要想支持重入性，就要解決兩個(gè)問(wèn)題：

1. 在線程獲取鎖的時(shí)候，如果已經(jīng)獲取鎖的線程是當(dāng)前線程的話則直接再次獲取成功；

2. 由于鎖會(huì)被獲取n次，那么只有鎖在被釋放同樣的n次之后，該鎖才算是完全釋放成功。

ReentrantLock支持兩種鎖：公平鎖和非公平鎖。何謂公平性，是針對(duì)獲取鎖而言的，如果一個(gè)鎖是公平的，那么鎖的獲取順序就應(yīng)該符合請(qǐng)求上的絕對(duì)時(shí)間順序，滿足FIFO。

10、ReadWriteLock 是什么？

答： 如果使用 ReentrantLock，可能本身是為了防止線程 A在寫數(shù)據(jù)、線程 B 在讀數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)不一致，但這樣，如果線程 C 在讀數(shù)據(jù)、線程 D 也在讀數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)是不會(huì)改變數(shù)據(jù)的，沒(méi)有必要加鎖，但是還是加鎖了，降低了程序的性能。因?yàn)檫@個(gè)，才誕生了讀寫鎖ReadWriteLock。

ReadWriteLock 是一個(gè)讀寫鎖接口，讀寫鎖是用來(lái)提升并發(fā)程序性能的鎖分離技術(shù)，ReentrantReadWriteLock 是 ReadWriteLock 接口的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了讀寫的分離，讀鎖是共享的，寫鎖是獨(dú)占的，讀和讀之間不會(huì)互斥，讀和寫、寫和讀、寫和寫之間才會(huì)互斥，提升了讀寫的性能。
而讀寫鎖有以下三個(gè)重要的特性：文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-741466.html

• 公平選擇性： 支持非公平（默認(rèn)）和公平的鎖獲取方式，吞吐量還是非公平優(yōu)于公平。
• 重進(jìn)入： 讀鎖和寫鎖都支持線程重進(jìn)入。
• 鎖降級(jí)： 遵循獲取寫鎖、獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序，寫鎖能夠降級(jí)成為讀鎖。

到了這里，關(guān)于Java——并發(fā)編程（CAS、Lock和AQS）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！