Java并发面试题中

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1. JMM (Java 内存模型)

1.1 JMM 的作用

JMM 是 Java 虚拟机定义的一套内存模型规范，用于屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异，保证 Java 并发程序的可见性、原子性和有序性。

1.2 关键概念

• 主内存：所有线程共享的内存，所有变量都存储在主内存中。
• 工作内存：每个线程有独立的工作内存，用于存储主内存中变量的副本。

1.3 JMM 的三个核心特性

• 原子性：操作不可被中断，如 volatile 修饰的读取操作和 synchronized 块的操作具有原子性。
• 可见性：一个线程修改了共享变量，其他线程可以立即看到，volatile、synchronized 和 final 关键字可以保证可见性。
• 有序性：Java 提供了“程序顺序规则”，即单线程中代码的执行顺序看起来是顺序的，volatile 和 synchronized 可以防止指令重排序。

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2. volatile 关键字

2.1 volatile 的作用

• 可见性：一个线程对 volatile 变量的修改，其他线程立即可见。
• 禁止指令重排序：使用 volatile 会在底层加入内存屏障，避免指令重排序。

2.2 volatile 的局限

• 不保证原子性：volatile 无法保证复合操作（如 x++）的原子性，需要使用 synchronized 或原子类。

示例代码：

volatile boolean flag = true;

public void updateFlag() {
    flag = false;  // 修改后其他线程立即可见
}

public void checkFlag() {
    while (flag) {
        // busy-waiting
    }
}

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3. 乐观锁和悲观锁

3.1 悲观锁

假设操作会产生冲突，采取加锁的方式防止冲突。典型实现是 synchronized 和 ReentrantLock。

3.2 乐观锁

假设冲突较少，通过 CAS（Compare-And-Swap）机制检测冲突，仅在冲突时重试。

3.3 乐观锁的实现

Java 中 Atomic 类通过 CAS 实现乐观锁，底层依赖于硬件支持的原子指令。

CAS 存在的问题

1. ABA 问题：值变更后又变回原值会被误判为未修改。
   • 解决：使用 AtomicStampedReference。
2. 自旋开销：CAS 操作在竞争激烈时可能导致较高的 CPU 开销。
3. 无法保证代码块的原子性。

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4. synchronized 关键字

4.1 synchronized 的作用

1. 保证原子性：对代码块加锁，确保同一时刻只有一个线程执行。
2. 保证可见性：线程释放锁前，修改的变量会被刷新到主内存。
3. 保证有序性：禁止指令重排序。

4.2 使用方法

• 修饰代码块：

  synchronized (this) {
      // 临界区
  }

• 修饰方法：

  public synchronized void method() {
      // 临界区
  }

• 修饰静态方法：

  public static synchronized void staticMethod() {
      // 临界区
  }

4.3 构造方法是否可用 synchronized 修饰？

构造方法不能直接使用 synchronized 修饰，但可以通过同步代码块实现。

4.4 synchronized 底层原理

• 使用对象头中的 Mark Word 实现锁状态标记。
• 锁的状态：
  1. 无锁：默认状态。
  2. 偏向锁：无竞争时，线程持有偏向锁。
  3. 轻量级锁：竞争开始时，线程尝试 CAS 获取锁。
  4. 重量级锁：竞争激烈时，升级为重量级锁（操作系统层面的互斥锁）。

4.5 JDK1.6 之后的优化

1. 偏向锁：无竞争时，减少锁操作开销。
2. 轻量级锁：通过自旋避免线程切换。
3. 锁消除：JIT 编译器会优化掉不必要的锁。
4. 锁粗化：合并多次连续的加锁操作。

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5. ReentrantLock

5.1 ReentrantLock 的作用

1. 提供更灵活的加锁机制（如公平锁、非公平锁）。
2. 支持可中断锁。

5.2 公平锁和非公平锁

• 公平锁：线程按照请求锁的顺序获取锁。
• 非公平锁：线程可直接插队，可能导致优先获取锁。

5.3 synchronized 和 ReentrantLock 的区别

• 功能：
  • synchronized 是 JVM 提供的关键字，支持锁升级。
  • ReentrantLock 是 Java 类库中的实现，提供更多高级特性。
• 性能：
  • 低竞争下，synchronized 更快。
  • 高竞争下，ReentrantLock 提供的功能更灵活。
• 功能特性：
  • ReentrantLock 支持公平锁、非公平锁、可中断锁等特性。

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6. ReentrantReadWriteLock

6.1 ReentrantReadWriteLock 的作用

提供读写分离锁：

• 读锁（共享锁）：多个线程可以同时持有读锁。
• 写锁（独占锁）：同一时刻只有一个线程能持有写锁。

6.2 场景

适用于读多写少的场景。

6.3 线程持有读锁还能获取写锁吗？

不能。持有读锁时，写锁会被阻塞。

6.4 为什么读锁不能升级为写锁？

如果允许升级，可能会导致死锁。例如，一个线程持有读锁，等待写锁时，其他线程也无法释放读锁。

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7. StampedLock

7.1 StampedLock 是什么？

StampedLock 是 Java 8 引入的一种锁实现，提供比 ReentrantReadWriteLock 更高的性能。

7.2 性能优势

通过 乐观读锁 提升读取性能：

• 如果没有写操作，乐观读锁允许线程直接访问数据。
• 如果检测到写操作，升级为悲观读锁。

示例代码：

StampedLock lock = new StampedLock();
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
if (lock.validate(stamp)) {
    // 乐观读成功
} else {
    stamp = lock.readLock();
    try {
        // 进行悲观读
    } finally {
        lock.unlockRead(stamp);
    }
}

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8. Atomic 原子类

8.1 Atomic 原子类的作用

提供了一组基于 CAS 实现的线程安全操作类，主要包括：

• AtomicInteger
• AtomicLong
• AtomicReference

8.2 常见方法

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.incrementAndGet();  // 原子递增
atomicInteger.compareAndSet(0, 10);  // CAS 操作

8.3 优缺点

• 优点：比锁更高效，适用于高并发场景。
• 缺点：适用于简单的操作，复杂逻辑需要结合其他工具。

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常见面试题

1. synchronized 和 volatile 的区别？

特性	synchronized	volatile
线程安全	是	否
原子性	是	否
可见性	是	是
适用场景	复杂逻辑的临界区保护	标识位、状态更新

2. CAS 的问题有哪些？

1. ABA 问题。
2. 高自旋开销。
3. 无法解决复杂的操作。

3. ReentrantLock 和 synchronized 的区别？

• 灵活性：ReentrantLock 提供更多功能，如公平锁。
• 性能：在竞争不激烈的场景下，synchronized 性能更高。

4. ReentrantReadWriteLock 适合什么场景？

• 读多写少的场景，例如缓存访问。

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