Java岗大厂面试百日冲刺【Day22】—— 并发编程2
本文已获得原作者 _陈哈哈 授权并经过重新整理规划后发布。
本栏目Java开发岗高频面试题主要出自以下各技术栈：Java基础知识、集合容器、并发编程、JVM、Spring全家桶、MyBatis等ORMapping框架、MySQL数据库、Redis缓存、RabbitMQ消息队列、Linux操作技巧等。
面试题1：说一下你对ReentrantLock的理解？
ReentrantLock是JDK1.5引入的，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，并提供了超出synchonized的其他高级功能(例如，中断锁等候、条件变量等)，并且使用ReentrantLock比synchronized能获得更好的可伸缩性。
ReentrantLock主要利用： CAS(compare-and-swap) + AQS(AbstractQueuedSynchronizer)队列来实现。它支持公平锁和非公平锁，两者的实现类似。
CAS：
CAS（compare-and-swap），见名知意，比较并交换。CAS 加 volatile 关键字是实现并发包的基石。没有CAS就不会有并发包，synchronized是一种独占锁、悲观锁，java.util.concurrent中借助了CAS指令实现了一种区别于synchronized的一种乐观锁。
CAS引用了乐观锁思想，每次拿数据的时候都认为别的线程不会修改这个数据，所以不会上锁，但是在更新的时候会通过标记参数判断一下在此期间（更新期间）别的线程有没有已经修改过该标记数据，如果发现有其他线程在修改且未修改完成，并不会像悲观锁那样阻塞线程，而是直接返回，可以去选择再次重试获得锁，也可以直接退出。
举个流程示例
如CAS操作包括三个操作数：需要读写的内存位置(V)、预期原值(A)、新值(B)。如果内存位置与预期原值的A相匹配，说明在此期间（更新期间）别的线程未修改过该标记数据，那么将内存位置的值更新为新值B。如果内存位置与预期原值的值不匹配，那么处理器不会做任何操作。
无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）
AQS:
AQS主要利用硬件原语指令CAS，来实现轻量级多线程同步机制，并且不会引起CPU上文切换和调度，同时提供内存可见性和原子化更新保证(线程安全的三要素：原子性、可见性、顺序性)。
AQS的本质上是一个同步器/阻塞锁的基础框架，其作用主要是提供加锁、释放锁，并在内部维护一个FIFO等待队列，用于存储由于锁竞争而阻塞的线程。
追问1：你认为 ReentrantLock 相比 synchronized 都有哪些区别？
两者的共同点：
- 都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问
- 都是可重入锁，同一线程可以多次获得同一个锁
- 都保证了可见性和互斥性
两者的不同点：
- ReentrantLock 显示的获得、释放锁，synchronized 隐式获得释放锁；
- ReentrantLock 可响应中断、可轮回，synchronized 是不可以响应中断的，为处理锁的不可用性提供了更高的灵活性；
- ReentrantLock 是API 级别的，synchronized 是 JVM 级别的；
- ReentrantLock 可以实现公平锁；
- ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件；
- 底层实现不一样， synchronized 是同步阻塞，使用的是悲观并发策略，ReentrantLock 是同步非阻塞，采用的是乐观并发策略；
- Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
- synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。
- Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断。
- 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
- Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率，就是实现读写锁等。
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
lock.lock();
try {
while(条件判断表达式) {
condition.wait();
}
// 处理逻辑
} finally {
lock.unlock();
}
面试题2：解释一下公平锁和非公平锁？
ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁，而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获锁。
我们刚才提及到AQS中，如果线程A正处于lock状态，线程B进来时发现线程A处于lock状态，会自动进入阻塞队列，等待取锁；这时候当线程C也进来了也发现线程A处于lock状态，也会自动进入阻塞队列。那么等A释放锁后，下次加锁到底是线程B先拿到还是线程C先拿到呢？
ReentrantLock有个构造方法用于设置锁的公平性，如果我们仅仅是new了一个ReentrantLock的话，那么就是非公平锁（默认），就是靠自己去争取，完全的随机性。如果我们在new ReentrantLock(true) 加入 true参数时，公平锁，就会遵循先入先出的原则，保证了锁的公平性。
面试题3：能详细说一下CAS具体实现原理么？
首先，CAS的英文单词是Compare and Swap，即是比较并替换。CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，待替换的新值B。
CAS规则是：当需要更新一个变量的值的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V中的实际值相同的时候，才会把内存地址V对应的值替换成B。
下面我们通过一个例子来讲解：
1.在内存地址V中存储的值是陈哈哈
2.线程01想要把变量的值改成侨总，对于线程01而言，内存地址 V=‘陈哈哈’，旧的预期值 A=‘陈哈哈’，需要替换的新值 B=‘侨总’。
3.在线程01要提交更新之前，另外一个线程02抢先一步，将内存地址V中的值更新成了V='比特币'。
4.线程01开始提交更新的时候，按照CAS机制，首先进行A的值与内存地址V中的值进行比较（ A=‘陈哈哈’ V=‘比特币’），发现 A != V 中的实际值，提交失败。
5.线程01未获取锁后进行重试，重新获取内存地址V的当前值（V=‘比特币’），并重新赋值想要修改的值（B=‘侨总’）。截至目前，线程01旧的预期值为A='比特币'，B='侨总'，这个重新尝试的过程被称为自旋。
6.这一次就比较顺利了，没有其他线程改变该变量的值，所以线程01通过CAS机制，比较旧的预期值A与内存地址V的值，相同（V == A），可以替换。
7.线程01进行替换，把地址V（V=‘比特币’）的值替换成B（B=‘侨总’）。
以上就是一个比较完整的CAS锁冲突的处理方式。
从思想上来看，synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发问题十分严重，所以严防死守，只让一个线程操作该代码块。而CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发问题并不那么严重，所以让线程不断的去尝试更新，在并发问题不严重的时候性能要比synchronized快。
追问1：那CAS的缺陷有哪些呢？
当然，CAS也有缺点，如ABA问题，自旋锁消耗问题、多变量共享一致性问题等。
ABA：
问题描述：
线程t1将它的值从A变为B，再从B变为A。同时有线程t2要将值从A变为C。但CAS检查的时候会发现没有改变，但是实质上它已经发生了改变 。可能会造成数据的缺失。
解决方法：
CAS还是类似于乐观锁，同数据乐观锁的方式给它加一个版本号或者时间戳，如AtomicStampedReference
自旋消耗资源：
问题描述：
多个线程争夺同一个资源时，如果自旋一直不成功，将会一直占用CPU。
解决方法：
破坏掉for死循环，当超过一定时间或者一定次数时，return退出。JDK8新增的LongAddr,和ConcurrentHashMap类似的方法。当多个线程竞争时，将粒度变小，将一个变量拆分为多个变量，达到多个线程访问多个资源的效果，最后再调用sum把它合起来。
虽然base和cells都是volatile修饰的，但感觉这个sum操作没有加锁，可能sum的结果不是那么精确。
多变量共享一致性问题：
解决方法:
CAS操作是针对一个变量的，如果对多个变量操作，
可以加锁来解决。
封装成对象类解决。
追问2：讲一下什么是ABA问题？怎么解决？
ABA：如果另一个线程修改V值假设原来是A，先修改成B，再修改回成A。当前线程的CAS操作无法分辨当前V值是否发生过变化。
举个例子1：
例一：你和女神一起喝茶，女神喝了一半去厕所了，你猥琐的喝了她剩下的半杯，然后又从你杯子里倒了半杯给她，女神回来后也不知道是否被人喝过。
如果觉得例子1太猥琐的话，请看例子2：
例二：
今天上午10:30:00：我银行卡有一万块钱，今天我来ATM机取5000块出来买比特币，但由于ATM机硬件问题，导致取款操作同时提交了两遍，后台开启了两个线程（线程1、线程2），两个线程都是获取当前值10000元，要更新成5000元；理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，我的存款只扣除一次，也就是余额应为5000元 。
好巧不巧，也是今天上午10:30:00：侨总上次买币欠我5000块，经过我再三催债，表示再不还钱就把你买币的事儿告诉你媳妇！也正巧这个点儿，侨总给我转了5000元到卡里（线程3）。没想到这再正常不过的事儿，缺被ABA问题坑了！我可忍不了！
事情是这样的：
- 线程1首先执行成功，把余额10000更新为5000（取钱线程）。
- 同时线程2由于某种原因陷入了阻塞状态（取钱线程）。
- 这时候，（线程3）侨总汇款给了我5000元，执行成功，我的账户5000更新为10000元。
- 过一会儿，线程2恢复运行，由于之前阻塞的时候获得了当前值为：10000，并且经过compare检测，此时存款也的确是10000元，所以又成功把变量值从10000更新成了5000。
- 侨总：哈哥，5000给你打过去了！
- 我：查到账户只有5000，你他娘的糊弄老子呢？？
- 侨总：？？？我好几十个比特币的人，还在乎你这5000块钱了。。。
这就是经典的 A → B → A 问题，通过上面的例子，相信同学们也基本了解它的原理了。其实解决方式也很简单，比如例一，我们将每一次倒水假设有一个自动记录仪记录下，这样主人回来就可以分辨在她离开后是否发生过重新倒满的情况。这也是解决ABA问题目前采用的策略。
使用版本号，通过比较值 + 版本号才判断是否可以替换。这么看来如果要解决ABA问题，就需要在CAS基础上在增加一个版本号的校验，当值 + 版本号都相等时，才进行替换，其他部分均不变。
而在Java中，AtomicStampedReference类就实现了用版本号做比较的CAS机制。
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