Java面试之JUC系列：Java锁大全

Java锁之公平锁和非公平锁

概念

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）

如何创建

并发包中ReentrantLock的创建可以指定析构函数的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);

两者区别

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 ReenttrantLock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

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。

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

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A释放锁后B随后抢到

/**
 * 手写一个自旋锁
 *
 * 循环比较获取直到成功为止，没有类似于wait的阻塞
 *
 * 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A释放锁后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(5);
        } 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 
.....五秒后.....
t1	 invoked myUnlock()
t2	 come in 
t2	 invoked myUnlock()

首先输出的是 t1 come in

然后1秒后，t2线程启动，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，然后释放

可重入锁和递归锁ReentrantLock

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方法中加入一把锁，方法2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

/**
 * 可重入锁（也叫递归锁）
 * 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`

 */

/**
 * 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？ (阿里面试)

    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();
        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
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.lang.IllegalMonitorStateException
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)