程序员八股文之Java篇

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创建线程方式(四种)

• 继承Thread类
• 实现Runable接口
• 实现Callable和Future。可以得到返回结果，并处理异常（CompleteFuture）
• 线程池创建

ThreadLocal

运用场景

工具类： 时间类格式化

全局变量： 避免参数传递，在拦截器中获取用户信息、共享session、cookie等

使用要点

• 内存泄漏：

  • 由于ThreadLocalMap 的⽣命周期Thread ⼀样⻓，如果没有⼿动删除对应的key就会导致内存泄露，可以⼿动remove
  • Entry中key的弱引用
  • Entry中的value强引用，无法及时回收！导致OOM
• NPE异常： 直接get不会产生NPE，出现原因在于拆装箱导致
• 共享对象： 不应在ThreadLocal中存放静态对象，否则线程不安全
• 优先使用框架

总结

• 线程安全
• 不需要加锁，提高执行效率
• 高效利用内存、节省开销
• 避免传参的繁琐
• 低耦合、更优雅

Synchonized

底层原理

同步方法的实现

• JVM底层实现，依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现

同步代码块的实现

同步代码块的synchronized是使用monitorenter和monitorexit指令来实现的

• monitorenter指令在编译为字节码后插入到同步代码块的开始位置
• monitorexit指令在编译为字节码后插入到方法结束位置和异常位置
• JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit

锁优化过程

无锁

• 不锁住资源，多个线程只有一个线程可修改成功资源，其他线程会重试

偏向锁

• 同一个线程执行同步资源时，自动获取资源
• 只有一个线程会进入临界区

轻量级锁

• 多个线程竞争同步资源时，没有获取资源的线程自旋等待释放锁
• 多个线程交替进入临界区

重量级锁

• 多个线程竞争同步资源时，没有获取资源的线程阻塞等待唤醒
• 多个线程同时进入临界区

AQS（Abstract Queue Synchronized）

简介： 如果共享资源被占用了，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配，这个机制主要通过CLH队列的实体实现的，将暂时获取不到的锁线程加入到队列中，这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成队列的节点（Node），通过CAS自旋及LockSupport.unpark()、维护State变量的状态，使并发达到同步的控制效果。

作用： 加锁会导致阻塞，有阻塞就需要排队，实现排队必然需要某种形式的队列来进行管理

产生背景

• CountDownLatch

  • 购物车拼团、人满发车；1等多，多等1
  • await()
  • countDown()
• ReentrantLock
• Semaphore

  • acquire()：获取到许可证，该线程才可往下进行
  • release()：当业务执行完毕后，通过该方法释放许可证，让其他线程获取
• ReentrantReadWriteLock
• CyclicBarrier（可重用）

  • 类似CountDownLatch
  • 十几人开会，只有等到10个人到齐才能开始下面流程

三大要素

volatile int state

• CAS指令实现compareAndSetState保证原子性
• volatile int state 保证可见性、有序性

FIFO队列

因为争抢锁的线程可能很多，但是只能有⼀个线程拿到锁，其他的线程都必须等 待，这个时候就需要⼀个 queue 来管理这些线程，AQS ⽤的是⼀个 FIFO 的队列，就是⼀个链表，每个 node 都持有后继节点的引⽤。

线程的阻塞与释放

例如：acquire()和release()以及park()和unPark()等方式

主要方法及作用

boolean compareAndSetState(int expect, int update)；通过CAS设置当前状态，保证状态设置的原子性。

boolean tryAcquire(int arg)；钩子方法，独占锁获取同步状态，AQS未具体实现，实现此方法需查询当前同步状态并判断状态是否符合预期，然后再CAS设置同步状态

boolean tryRelease(int arg)；钩子方法，同tryAcquire方法，独占锁释放同步状态

int tryAcquireShared(int arg)；共享式获取同步状态，返回>0表示获取成功，否则失败

boolean tryReleaseShared(int arg)；钩子方法，共享式释放同步状态

boolean isHeldExclusively()；当前同步器是否在独占模式下呗线程占用。一般表示该方法是否被当前线程独占

void acquire(int arg)；模板方法，独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则会进入同步队列等待，此方法会调用子类重写的tryAcquire方法

void acquireInterruptibly(int arg)；模板方法，与acquire相同，但是此方法可以响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前线程被中断，此方法会抛出InterruptedException并返回

CLH（链表队列）

1. CLH队列是FIFO队列，故新的节点到来的时候，是要插入到当前队列的尾节点之后
2. CLH队列它是一个链表队列，通过AQS的两个字段head（头节点）和tail（尾节点）来存取，这两个字段是volatile类型，初始化的时候都指向了一个空节点

入队操作

当一个线程成功地获取了同步状态，其他线程将无法获取到同步状态，转而被构造成为节点并加入到同步队列中，而这个加入队列的过程必须要保证线程安全，因此同步器提供了一个CAS方法，它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点，只有设置成功后，当前节点才正式与之前的尾节点建立关联

出队操作

1. 因为遵循FIFO规则，所以能成功获取到AQS同步状态的必定是首节点，
2. 首节点的线程在释放同步状态时，会唤醒后续节点
3. 后续节点会在获取AQS同步状态成功的时候将自己设置为首节点
4. 设置首节点是由获取同步成功的线程来完成的
5. 由于只能有一个线程可以获取到同步状态，所以设置首节点的方法不需要像入队这样的CAS操作

AQS应用

AQS被大量的应用在了同步工具上

• ReentrantLock类使用AQS同步状态来保存锁重复持有的次数
• ReentrantReadWriteLock类使用AQS同步状态中的16位来保存写锁持有的次数，剩下的16位用来保存读锁的持有次数
• Semaphore类（信号量）使用AQS同步状态来保存信号量的当前计数
• CountDownLatch类使用AQS同步状态来表示计数
• FutureTask类使用AQS同步状态来表示某个异步计算任务的运行状态（初始化、运行中、被取消和完成）
• SynchronousQueues类使用了内部的等待节点，这些节点可以用于协调生产者和消费者

ConCurrentHashMap

如何保证线程安全

JDK1.7

• 分段锁：Segment+ReentrantLock
• 计算size()时，采用类似乐观锁，先不加锁统计，若超过3次则对每个Segment加锁后再统计

JDK1.8

• 采用CAS策略，哈希冲突时，对链表或红黑树加synchronized（Synchronized+CAS）
• 计算size()时，会维护一个baseCount属性来记录节点数量，每次进行put操作之后，都会CAS自增baseCount

	JDK1.7	JDK1.8
数据结构	Segment分段锁，其中Segment继承ReentrantLock	数组+链表+红黑树
线程安全机制	分段锁（Segment）	CAS+Synchronized（链表/红黑树）
锁粒度	对需要进行的数据操作Segment加锁	对每个数组元素加锁（Node）
链表转红黑树		当链表节点数量>8且总=容量>=64时
查询时间复杂度	O(n)	O(log(N))

CopyOnWriteArrayList

背景： 替代低性能的Collections.synchronizedList()

场景： 都多写少。例如：黑名单、每日更新等

读写规则： 除了写写互斥，其他操作都可同时进行

总结： 只能保证最终一致性；双份对象内存占用

自旋锁的适用场景？

• 一般用于多核服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞锁效率高
• 适用于临界区比较短小的情况，否则临界区很大，线程一旦拿到锁，很久以后才会释放，不合适！
• 若锁被占用时间很长，那么自旋的线程只会白白浪费CPU资源。在自旋过程中，会一直消耗CPU，因此虽然自旋锁的起始开销低于悲观锁，但是随着自旋锁的时间增长，开销也是线性增长的！