Java面试-锁-基础

• synchronized(非公平锁) ：CPU悲观锁（独占锁），在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候会导致效率很低
  • 对象监视器：锁非null对象，写在方法上锁this，写在静态方法上锁Class
  • 线程的状态转换：
    • 所有请求锁的线程将被首先放置到竞争队列 Contention List
    • 有资格成为候选人的线程被移到 Entry List
    • 那些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置到 Wait Set
    • 任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为 OnDeck
    • 获得锁的线程称为 Owner
    • 释放锁的线程 !Owner
  • Java对象：对象头（Mark Word）+实例数据+填充数据
  • 偏向锁：锁会偏向于第一个获得它的线程，持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步操作
  • 生命周期：偏向锁（01），轻量级锁（00）；重量级锁（10）
    • 对象创建 -> 是否偏向（0）；锁标志位（01）
    • 临界区，CAS 将线程ID插入Markword -> 是否偏向（1）；锁标志位（01）
    • 其他线程发现线程ID不指向自己 -> 如果偏向标志位是0，重新偏向；存在竞争则升级为轻量级锁（锁标志位：00）
      • 此过程需要暂停拥有偏向锁的线程，并撤销偏向锁
    • CAS 设置 Markword 锁记录指针 -> 成功则获得锁；失败则自旋（自旋锁默认10次）
      1. 线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord。
      2. 将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中。
      3. 将锁记录中的Owner指针指向锁对象。
      4. 将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。
    • 自适应自旋锁：如果一个线程在不久前拿到过这个锁，或者它之前经常拿到过这个锁，则根据线程最近获得锁的状态来调整循环次数
    • 重量级锁（互斥锁）：依赖对象内部的monitor锁，所以依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现，锁标志位（10）
      • 开销大：会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cpu，但是阻塞或者唤醒一个线程时，就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长
      • 持有轻量级锁的线程可以继续其执行，直至它足以释放锁。
      • 当持有轻量级锁的线程执行同步块中的代码完毕，它会查看对象头标志位，发现锁已经升级为重量级锁，并遵照重量级锁的释放流程来释放锁
    • 锁降级：锁降级的情况是非常罕见并且特定的，目前并不是JVM的标准行为，一般来说都是不可逆的
      • 当JVM进入SafePoint安全点（所有用户线程都停止），会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级
      • 在垃圾收集时，JVM确实会进入安全点。不过，进入安全点并清理闲置的Monitor主要是为了回收无用资源，并非为了锁的降级。例如，在CMS垃圾回收算法中的并发阶段，就需要等待所有线程都到达安全点来进行STW（Stop-The-World）阶段的操作，但这与锁的状态无关。
    • 偏向锁的批量撤销：常发生在JVM检测到现在或未来可能存在锁竞争时，此时，它会撤销一些或全部对象的偏向状态。撤销是通过STW（Stop-The-World）暂停来完成的，以此保证对所有线程可见性和一致性。安全点期间，所有的偏向锁都会被撤销，锁状态会回滚到未锁定（无锁状态）的状态。
      1. 当另一个线程尝试获取已经被偏向某个线程的锁时，这表明偏向锁的单线程优势不再持续。在这种情况下，为了使其他线程也能获取锁，并且提高系统的整体性能指标，JVM可能会执行偏向锁的批量撤销。
      2. 具体来说，它会遍历堆中所有的对象头，去掉偏向标志并且重新设置相关lock word的状态，使得这些锁不再偏向任何线程。这通常在安全点（SafePoint，一个能保证所有线程在一个已知点暂停的时机）发生，因为进行这种撤销需要所有Java线程的协助。
      3. 偏向锁的批量撤销还可能是垃圾收集的一部分。例如，在进行垃圾回收暂停时，JVM会检查所有的锁，并撤销那些没有被任何线程持有的偏向锁。这样的撤销是批量进行的，因为它涉及许多对象和锁。

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• ReentrantLock: CAS + AQS （默认是非公平锁，也可以指定为公平锁）
  1. 先通过CAS尝试获取锁
  2. 如果此时锁已经被占用，该线程加入AQS队列并wait()
  3. 当前驱线程的锁被释放，挂在等待队列为首的线程就会被notify()，然后继续CAS尝试获取锁
     • 非公平锁，如果有其他线程尝试lock()，有可能被其他刚好申请锁的线程抢占
     • 公平锁，只有在等待队列头的线程才可以获取锁，新来的线程只能插入到队尾
• CAS：操作中包含三个参数：一个内存位置 V（Variable，变量），一个期望的原值A（Assumed value，假设值），以及一个新值B（New value）
  • 如果内存位置V的当前值与期望的原值A相匹配，那么处理器会将这个内存位置上的值更新为新值B ，否则不执行更新
  • ABA问题：加版本戳，AtomicStampedReference
• volatile : 适合一写多读
  • 可见性：禁止线程的工作内存对 volatile 修饰的变量进行缓存，synchronized 和 Lock 通过释放锁之前将变量的修改刷新到主存来保证可见性
  • 当对volatile变量执行写操作后，JVM会把工作内存中的最新变量值强制刷新到主内存，写操作会导致其他线程中的缓存无效，其他线程使用缓存时，发现本地工作内存中此变量无效，便从主内存中获取，这样获取到的变量便是最新的值，实现了线程的可见性