Java：锁笔记

Java：锁笔记

本笔记是根据bilibili上 尚硅谷 的课程 Java大厂面试题第二季 而做的笔记

1. Java 锁之公平锁和非公平锁

公平锁

是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，类似于排队买饭，先来后到，先来先服务，就是公平的，也就是队列

非公平锁

是指多个线程获取锁的顺序，并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发环境下，有可能造成优先级翻转，或者饥饿的线程（也就是某个线程一直得不到锁）

创建

并发包中 ReentrantLock 的创建可以指定构造函数的 boolean 类型来得到公平锁或者非公平锁，默认是非公平锁

/**
* 创建一个可重入锁，true 表示公平锁，false 表示非公平锁。默认非公平锁
*/
Lock lock = new ReentrantLock(true);

区别

公平锁：就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列中的第一个，就占用锁，否者就会加入到等待队列中，以后安装 FIFO 的规则从队列中取到自己

非公平锁： 非公平锁比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。

题外话

Java 中 ReentrantLock 通过构造函数指定该锁是否公平，默认是非公平锁，因为非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大，对于 synchronized 而言，也是一种非公平锁

2. 可重入锁和递归锁

概念

可重入锁就是递归锁

指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能获取到该锁的代码，在同一线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁

也就是说：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步的代码块

ReentrantLock / Synchronized 就是一个典型的可重入锁

代码

可重入锁就是，在一个 method1() 中加入一把锁，method2() 也加锁了，那么他们拥有的是同一把锁

public synchronized void method1() {
	method2();
}

public synchronized void method2() {
}

也就是说我们只需要进入 method1() 后，那么它也能直接进入 method2() 方法，因为他们所拥有的锁是同一把。

作用

可重入锁的最大作用就是避免死锁

可重入锁验证

证明 Synchronized

/**
 * 资源类
 */
class Phone {
    /**
     * 发送短信
     * @throws Exception
     */
    public synchronized void sendSMS() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t invoked sendSMS()");
        // 在同步方法中，调用另外一个同步方法
        sendEmail();
    }

    /**
     * 发邮件
     * @throws Exception
     */
    public synchronized void sendEmail() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "\t invoked sendEmail()");
    }
}

public class ReenterLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        // 两个线程操作资源列
        new Thread(() -> {
            try {
                phone.sendSMS();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                phone.sendSMS();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

在这里，我们编写了一个资源类 phone，拥有两个加了 synchronized 的同步方法，分别是 sendSMS 和 sendEmail，我们在 sendSMS 方法中，调用 sendEmail。最后在主线程同时开启了两个线程进行测试，最后得到的结果为：

t1	 invoked sendSMS()
t1	 invoked sendEmail()
t2	 invoked sendSMS()
t2	 invoked sendEmail()

这就说明当 t1 线程进入sendSMS 的时候，拥有了一把锁，同时 t2 线程无法进入，直到 t1 线程拿着锁，执行了sendEmail 方法后，才释放锁，这样 t2 才能够进入

t1	 invoked sendSMS()      # t1线程在外层方法获取锁的时候
t1	 invoked sendEmail()    # t1在进入内层方法会自动获取锁

t2	 invoked sendSMS()      # t2线程在外层方法获取锁的时候
t2	 invoked sendEmail()    # t2在进入内层方法会自动获取锁

证明 ReentrantLock

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 资源类
 */
class Phone implements Runnable{

    Lock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * set进去的时候，就加锁，调用set方法的时候，能否访问另外一个加锁的set方法
     */
    public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t set Lock");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        getLock();
    }
}

public class ReenterLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        /**
         * 因为Phone实现了Runnable接口
         */
        Thread t3 = new Thread(phone, "t3");
        Thread t4 = new Thread(phone, "t4");
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

现在我们使用 ReentrantLock 进行验证，首先资源类实现了 Runnable 接口，重写 Run 方法，里面调用 get 方法，get 方法在进入的时候，就加了锁

public void getLock() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

然后在方法里面，又调用另外一个加了锁的 setLock 方法

public void setLock() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t set Lock");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

最后输出结果我们能发现，结果和加 synchronized 方法是一致的，都是在外层的方法获取锁之后，线程能够直接进入里层

t3	 get Lock
t3	 set Lock
t4	 get Lock
t4	 set Lock

当我们在 getLock 方法加两把锁会是什么情况呢？

public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

最后得到的结果也是一样的，因为里面不管有几把锁，其它他们都是同一把锁，也就是说用同一个钥匙都能够打开

当我们在 getLock 方法加两把锁，但是只解一把锁会出现什么情况呢？

public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

得到结果

t3	 get Lock
t3	 set Lock

也就是说程序直接卡死，线程不能出来，也就说明我们申请几把锁，最后需要解除几把锁

当我们只加一把锁，但是用两把锁来解锁的时候，又会出现什么情况呢？

public void getLock() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

这个时候，运行程序会直接报错

t3	 get Lock
t3	 set Lock
t4	 get Lock
t4	 set Lock
Exception in thread "t3" Exception in thread "t4" java.lang.IllegalMonitorStateException

3. Java 锁之自旋锁

自旋锁：spinlock，是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗 CPU

原来提到的比较并交换，底层使用的就是自旋，自旋就是多次尝试，多次访问，不会阻塞的状态就是自旋。

优缺点

优点：循环比较获取直到成功为止，没有类似于 wait 的阻塞，减少上下文切换的消耗

缺点：当不断自旋的线程越来越多的时候，会因为执行while循环不断的消耗CPU资源

手写自旋锁

通过 CAS 操作完成自旋锁，A线程 先进来调用 myLock 方法自己持有锁5秒，B线程 随后进来发现当前有线程持有锁，不是 null，所以只能通过自旋等待，直到 线程A 释放锁后 线程B 随后抢到

public class SpinLockDemo {

    // 现在的泛型装的是Thread，原子引用线程
    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void myLock() {
        // 获取当前进来的线程
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in ");
        // 开始自旋，期望值是null，更新值是当前线程，如果是null，则更新为当前线程，否者自旋
        while(!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {
        }
    }

    /**
     * 解锁
     */
    public void myUnLock() {
        // 获取当前进来的线程
        Thread thread = Thread.currentThread();
        // 自己用完了后，把atomicReference变成null
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t invoked myUnlock()");
    }

    public static void main(String[] args) {

        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

        // 启动t1线程，开始操作
        new Thread(() -> {
            // 开始占有锁
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 开始释放锁
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "t1").start();

        // 让main线程暂停1秒，使得t1线程，先执行
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 1秒后，启动t2线程，开始占用这个锁
        new Thread(() -> {
            // 开始占有锁
            spinLockDemo.myLock();
            // 开始释放锁
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "t2").start();
    }
}

最后输出结果

t1	 come in
t2	 come in
t1	 invoked myUnlock()
t2	 invoked myUnlock()

首先输出的是 t1 come in，然后1秒后，t2线程启动，输出 t2 come in，发现锁被 t1 占有，所有不断的执行 compareAndSet 方法，来进行比较，直到 t1 释放锁后，也就是5秒后，t2 成功获取到锁，然后再释放。

4. 独占锁(写锁)&共享锁(读锁)&互斥锁

概念

独占锁：指该锁一次只能被一个线程所持有。对 ReentrantLock 和 Synchronized 而言都是独占锁

共享锁：指该锁可以被多个线程锁持有

对 ReentrantReadWriteLock 其读锁是共享，其写锁是独占，即写的时候只能一个人写，但是读的时候，可以多个人同时读

为什么会有写锁和读锁

原来我们使用 ReentrantLock 创建锁的时候，是独占锁，也就是说一次只能一个线程访问，但是有一个读写分离场景，读的时候想同时进行，因此原来独占锁的并发性就没这么好了，因为读锁并不会造成数据不一致的问题，因此可以多个人共享读。

多个线程同时读一个资源类没有任何问题，所以为了满足并发量，读取共享资源应该可以同时进行，但是如果一个线程想去写共享资源，就不应该再有其它线程可以对该资源进行读或写

读---读：能共存

读---写：不能共存

写---写：不能共存

代码实现

实现一个读写缓存的操作，假设开始没有加锁的时候，会出现什么情况

/**
 * 读写锁
 * 多个线程 同时读一个资源类没有任何问题，所以为了满足并发量，读取共享资源应该可以同时进行
 * 但是，如果一个线程想去写共享资源，就不应该再有其它线程可以对该资源进行读或写
 */

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * 资源类
 */
class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    /**
     * 定义写操作
     * 满足：原子 + 独占
     * @param key
     * @param value
     */
    public void put(String key, Object value) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在写入：" + key);
        try {
            // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(key, value);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 写入完成");
    }

    public void get(String key) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取:");
        try {
            // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Object value = map.get(key);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 读取完成：" + value);
    }
}

public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {

        MyCache myCache = new MyCache();
        // 线程操作资源类，5个线程写
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(tempInt + "", tempInt +  "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 线程操作资源类， 5个线程读
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(tempInt + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

最后运行结果：

0	 正在写入：0
1	 正在写入：1
2	 正在写入：2
3	 正在写入：3
4	 正在写入：4
0	 正在读取:
2	 正在读取:
1	 正在读取:
4	 正在读取:
3	 正在读取:
2	 写入完成
1	 读取完成：null
0	 读取完成：null
2	 读取完成：null
4	 写入完成
0	 写入完成
3	 写入完成
1	 写入完成
4	 读取完成：4
3	 读取完成：null

我们可以看到，在写入的时候，写操作被打断，这就造成了还没写完，其它线程又开始写，这样就造成数据不一致

解决方法

上面的代码是没有加锁的，这样就会造成线程在进行写入操作的时候，被其它线程频繁打断，从而不具备原子性，这个时候，我们就需要用到读写锁来解决了

/**
* 创建一个读写锁
* 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
*/
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

当我们在进行写操作的时候，就需要转换成写锁

// 创建一个写锁
rwLock.writeLock().lock();

// 写锁 释放
rwLock.writeLock().unlock();

当们在进行读操作的时候，在转换成读锁

// 创建一个读锁
rwLock.readLock().lock();

// 读锁 释放
rwLock.readLock().unlock();

这里的读锁和写锁的区别在于，写锁一次只能一个线程进入，执行写操作，而读锁是多个线程能够同时进入，进行读取的操作

完整代码：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * 资源类
 */
class MyCache {

    /**
     * 缓存中的东西，必须保持可见性，因此使用volatile修饰
     */
    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    /**
     * 创建一个读写锁
     * 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
     */
    private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    /**
     * 定义写操作
     * 满足：原子 + 独占
     * @param key
     * @param value
     */
    public void put(String key, Object value) {
        // 创建一个写锁
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在写入：" + key);
            try {
                // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(key, value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 写入完成");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 写锁 释放
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    /**
     * 获取
     * @param key
     */
    public void get(String key) {
        // 读锁
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取:");
            try {
                // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Object value = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 读取完成：" + value);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 读锁释放
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }

    /**
     * 清空缓存
     */
    public void clean() {
        map.clear();
    }
}

public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {

        MyCache myCache = new MyCache();

        // 线程操作资源类，5个线程写
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(tempInt + "", tempInt +  "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 线程操作资源类， 5个线程读
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(tempInt + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

运行结果：

1	 正在写入：1
1	 写入完成
2	 正在写入：2
2	 写入完成
3	 正在写入：3
3	 写入完成
4	 正在写入：4
4	 写入完成
5	 正在写入：5
5	 写入完成
2	 正在读取:
3	 正在读取:
1	 正在读取:
4	 正在读取:
5	 正在读取:
2	 读取完成：2
1	 读取完成：1
4	 读取完成：4
3	 读取完成：3
5	 读取完成：5

从运行结果我们可以看出，写入操作是一个一个线程进行执行的，并且中间不会被打断，而读操作的时候，是同时5个线程进入，然后并发读取操作。

5. 为什么 Synchronized 无法禁止指令重排，却能保证有序性

前言

首先我们要分析下这道题，这简单的一个问题，其实里面还是包含了很多信息的，要想回答好这个问题，面试者至少要知道一下概念：

• Java内存模型
• 并发编程有序性问题
• 指令重排
• synchronized 锁
• 可重入锁
• 排它锁
• as-if-serial 语义
• 单线程&多线程

标准解答

为了进一步提升计算机各方面能力，在硬件层面做了很多优化，如处理器优化和指令重排等，但是这些技术的引入就会导致有序性问题。

先解释什么是有序性问题，也知道是什么原因导致的有序性问题

我们也知道，最好的解决有序性问题的办法，就是禁止处理器优化和指令重排，就像volatile中使用内存屏障一样。

表明你知道啥是指令重排，也知道他的实现原理

但是，虽然很多硬件都会为了优化做一些重排，但是在 Java 中，不管怎么排序，都不能影响单线程程序的执行结果。这就是 as-if-serial 语义，所有硬件优化的前提都是必须遵守 as-if-serial 语义。

as-if-serial 语义把单线程程序保护了起来，遵守 as-if-serial 语义的编译器，runtime 和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial 语义使单线程程序员无需担心重排序会干扰他们，也无需担心内存可见性问题。

重点！解释下什么是 as-if-serial 语义，因为这是这道题的第一个关键词，答上来就对了一半了

再说下 synchronized，他是 Java 提供的锁，可以通过他对 Java 中的对象加锁，并且他是一种排他的、可重入的锁。

所以，当某个线程执行到一段被 synchronized 修饰的代码之前，会先进行加锁，执行完之后再进行解锁。在加锁之后，解锁之前，其他线程是无法再次获得锁的，只有这条加锁线程可以重复获得该锁。

介绍 synchronized 的原理，这是本题的第二个关键点，到这里基本就可以拿满分了。

synchronized 通过排他锁的方式就保证了同一时间内，被 synchronized 修饰的代码是单线程执行的。所以呢，这就满足了 as-if-serial 语义的一个关键前提，那就是单线程，因为有 as-if-serial 语义保证，单线程的有序性就天然存在了。