Java面试-线程安全篇

一、synchronized关键字：

• 基本使用与作用：通过抢票代码示例，展示了synchronized作为对象锁，可避免多线程超卖或抢到同一张票问题，保证代码原子性，同一时刻只有一个线程获得锁，其他线程阻塞。
• 底层原理：底层是monitor，通过分析字节码信息，可看到monitor enter和monitor exit，分别对应上锁和解锁，且有两个monitor exit以防异常导致锁未释放。
• monitor工作机制：monitor有wait set、entry list、owner三个属性。线程尝试获取锁时，若owner为none，则拥有锁；否则进入entry list等待，释放锁后唤醒entry list中线程争抢。调用wait方法的线程进入wait set。
• 锁升级：monitor是重量级锁，因涉及用户态和内核态切换，性能低。JDK1.6后引入偏向锁和轻量级锁。一个线程重复获取锁时用偏向锁；两个线程交替获取锁用轻量级锁；多线程竞争时用重量级锁。
• 三种锁对比：偏向锁性能最好，首次加锁记录线程ID并改标志，后续重入只需判断；轻量级锁每次加锁记录都需CAS操作；重量级锁涉及用户态和内核态切换，性能最低。

二、Java内存模型（JMM）面试题：

• 概念：定义了共享变量在多线程读写操作的行为规范，保证内存读写指令正确性。
• 内存划分：分为工作内存和主内存。工作内存是线程私有，存储线程内私有数据，线程间无法互相访问；主内存是共享区域，存储共享变量，多线程同步数据需通过主内存。
• CAS操作面试题：
  • 概念与原理：全称compare and swap，体现乐观锁思想，在无锁情况下保证线程操作共享数据的原子性。线程操作共享数据时，先读取主内存数据到工作内存，修改后与主内存数据比对，相同则更新，不同则自旋重试。
  • 底层实现：依赖unsafe类调用操作系统底层CAS指令，unsafe类提供compare and swap object、int、long三个本地方法。
  • 与锁的对比：CAS是乐观锁，不怕其他线程修改共享变量，通过自旋重试；synchronized是悲观锁，上锁后防止其他线程修改。

三、volatile`关键字：

• 含义：可修饰共享变量，保证线程间可见性和禁止指令重排序。

• 线程间可见性：通过代码示例，展示了未加volatile时，线程修改共享变量，其他线程不可见，原因是JIT编译器优化。可通过加VM参数禁用JIT或加volatile关键字解决，项目开发中推荐使用volatile关键字。

• 指令重排序与volatile关键字：

  • 指令重排序概念：代码执行顺序可能与编写顺序不一致，通过测试代码可能出现结果为10的情况判断是否发生重排序，需使用高并发多线程测试工具。
  • volatile解决重排序：在共享变量读写时加入不同屏障，阻止其他读写操作越过屏障。如加在y上能解决问题，加在x上不行。
  • volatile使用技巧：写变量时让volatile修饰的变量在代码最后位置，读变量时让其在代码最上面。
  • volatile特性总结：保证线程间可见性，禁止指令重排序。

四、AQS（抽象队列同步器）：

• AQS定义与对比：是JUC中提供的锁机制，与synchronized对比，它是Java API，需手动开关锁，在锁竞争激烈时性能更好。
• 基本工作机制：内部有volatile修饰的state，0表示无锁，1表示有锁。线程请求锁需修改state，失败则进入队列等待，队列为先进先出的双向队列。
• 保证原子性：多个线程抢资源时用CAS设置保证原子性。
• 公平锁与非公平锁：非公平锁是新线程与队列中线程共同抢资源；公平锁是新线程到队列尾部等待，按队列顺序获得锁。
• AQS总结：是队列同步器，维护双向队列，用state控制锁，使用CAS保证原子性。

五、ReentrantLock（可重入锁）：

• 特点：可中断、可设置超时时间、可设置公平锁、支持多个条件变量，与synchronized一样支持重入。
• 实现原理：底层使用CAS和AQS，构造函数可创建公平锁或非公平锁。
• 工作方式：与AQS类似，用CAS修改状态抢锁，抢到锁将线程挂到属性中，释放锁唤醒队列中线程。
• 总结：是可重入锁，底层用CAS和AQS，支持公平和非公平锁。

六、synchronized与Lock对比：

• 语法层面：synchronized是关键字，由JVM提供，C++实现，退出同步块自动释放锁；Lock由JDK提供，Java实现，需调用unlock释放锁。
• 功能层面：都属悲观锁，有互斥同步和锁重入功能，但Lock有公平锁、可打断、可超时、多条件变量等功能，通过代码演示验证。
• 性能层面：无竞争时synchronized有优化，性能还行；竞争激烈时Lock性能更好。

七、死锁问题：

• 死锁产生条件：一个线程同时获取多把锁易发生死锁，如线程T1持有a锁等b锁，线程T2持有b锁等a锁。
• 死锁诊断工具：使用jps输出JVM中运行的所有进程状态信息，使用jstack查看Java进程内的线程堆栈信息；还可使用jconsole和VisualVM等可视化工具。

八、ConcurrentHashMap：

• JDK1.7结构：采用分段的数组加列表实现，数组不可扩容，添加数据时用ReentrantLock加锁，性能较低。
• JDK1.8结构：采用数组加链表加红黑树结构，添加新节点用CAS自旋锁，有链表或红黑树时用synchronized锁首节点，性能更好。
• 总结：不同版本底层数据结构和加锁方式不同，1.8加锁力度更细。

九、并发程序问题根源：

• 原子性：一个线程在CPU中的操作不可暂停或中断，如抢票代码可能出现超卖，可通过synchronized或Lock锁保证。
• 可见性：一个线程对共享变量修改后让另一个线程可见，可加volatile关键字解决，加锁也可但性能不高。
• 有序性：处理器可能对代码进行指令重排，加volatile关键字可禁止指令重排序。