深入分析大厂面试题三

作者: Java及SpringBoot | 来源:发表于2021-01-25 17:26 被阅读0次

1 AbstractQueuedSynchronizer之AQS

1.1 先从字节跳动及其它大厂面试题说起

从集合开始吧，介绍一下常用的集合类，哪些是有序的，哪些是无序的
hashmap是如何寻址的，哈希碰撞后是如何存储数据的，1.8后什么时候变成红黑树、说下红黑树原理有什么好处？
reentrantlock实现原理，简单说下AQS
synchronized实现原理，monitor对象是什么时候生成的？知道monitor和monitorenter和monitorexit这2个是怎么保证同步的吗，或者说底层是如何执行的
偏向锁和轻量级锁有什么区别？

1.2 前置知识

公平锁和非公平锁
可重入锁
LockSupport
自旋锁
数据结构之链表
设计模式之模板设计模式

1.3 抽象的队列同步器

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AbstractOwnableSynchronizer
AbstractQueuedLongSynchronizer
AbstractQueuedSynchronizer                                      
通常地: AbstractQueuedSynchronizer简称为AQS

是用来构建锁或者其它同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，并通过一个int类变量 表示持有锁的状态

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1.4 AQS为什么是JUC内容中最重要的基石

和AQS有关的

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ReentrantLock

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CountDownLatch

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ReentrantReadWriteLock

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Semaphore

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进一步理解锁和同步器的关系

锁，面向锁的使用者
- 定义了程序员和锁交互的使用层API，隐藏了实现细节，你调用即可。
同步器，面向锁的实现者
- 比如Java并发大神Douglee，提出统一规范并简化了锁的实现，屏蔽了同步状态管理、阻塞线程排队和通知、唤醒机制等。

能干嘛

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

抢到资源的线程直接使用办理业务，抢占不到资源的线程的必然涉及一种排队等候机制，抢占资源失败的线程继续去等待(类似办理窗口都满了，暂时没有受理窗口的顾客只能去候客区排队等候)，仍然保留获取锁的可能且获取锁流程仍在继续(候客区的顾客也在等着叫号，轮到了再去受理窗口办理业务）。
 
既然说到了排队等候机制，那么就一定会有某种队列形成，这样的队列是什么数据结构呢?
 
如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中，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结点(Node) ，通过CAS、自旋以及LockSuport.park()的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的效果。

1.5 AQS初步

1.5.1 AQS初识

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有阻塞就需要排队，实现排队必然需要队列

AQS使用一个volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的 FIFO队列来完成资源获取的排队工作将每条要去抢占资源的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配，通过CAS完成对State值的修改。

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1.5.2 AQS内部体系架构

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AQS自身

AQS的int变量

AQS的同步状态State成员变量

/**
 * The synchronization state.
 */
private volatile int;

//银行办理业务的受理窗口状态
//零就是没人，自由状态可以办理
//大于等于1，有人占用窗口，等着

AQS的CLH队列
- CLH队列（三个大牛的名字组成），为一个双向队列
state变量+CLH双端Node队列

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内部类Node（Node类在AQS类内部）

Node的int变量
- Node的等待状态waitState成员变量 volatile int waitStatus
- 等候区其它顾客(其它线程)的等待状态
- 队列中每个排队的个体就是一个Node.

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1.5.3 AQS同步队列的基本结构

是用LockSupport.pork()来进行排队的

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1.6 AQS详解（ReentrantLock开始解读AQS）

1.6.1 Code

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class AQSDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        //带入一个银行办理业务的案例来模拟我们的AQS如何进行线程的管理和通知唤醒机制
        //3个线程模拟3个来银行网点，受理窗口办理业务的顾客
        //A顾客就是第一个顾客，此时受理窗口没有任何人，A可以直接去办理
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("-----A thread come in");
                try {
                    TimeUnit.MINUTES.sleep(20);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "A").start();

        //第二个顾客，第二个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁)，此时B只能等待，
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("-----B thread come in");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "B").start();

        //第三个顾客，第三个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁)，此时C只能等待，
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("-----C thread come in");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "C").start();
    }
}

Lock接口的实现类，基本都是通过【聚合】了一个【队列同步器】的子类完成线程访问控制的

1.6.2 ReentrantLock原理

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1.6.3 lock方法的公平和非公平

通过ReentrantLock的源码来讲解公平锁和非公平锁

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默认创建的是非公平锁

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可以明显看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件:
hasQueuedPredecessors()
hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    // The correctness of this depends on head being initialized
    // before tail and on head.next being accurate if the current
    // thread is first in queue.
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

对比公平锁和非公平锁的tryAcqure()方法的实现代码， 其实差别就在于非公平锁获取锁时比公平锁中少了一个判断!hasQueuedPredecessors()
    
hasQueuedPredecessors()中判断了是否需要排队，导致公平锁和非公平锁的差异如下:
 
公平锁:公平锁讲究先来先到，线程在获取锁时，如果这个锁的等待队列中已经有线程在等待，那么当前线程就会进入等待队列中;
 
非公平锁:不管是否有等待队列，如果可以获取锁，则立刻占有锁对象。也就是说队列的第一个排队线程在unpark(), 之后还是需要竞争锁(存在线程竞争的情况下)

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public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

1.6.4 AQS源码深度分析

lock()

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acquire()

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tryAcquire(arg) 非公平锁

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继续推进条件，走下一步方法addWaiter,否则结束。

addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

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双向链表中，第一个节点为虚节点(也叫哨兵节点)，其实并不存储任何信息，只是占位。真正的第一个有数据的节点，是从第二个节点开始的。

假如3号ThreadC线程进来，prev-compareAndSetTail-next

acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

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假如再抢抢失败就会进入shouldParkAterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt方法中

image-20210122134736962.png

shouldParkAfterFailedAcquire

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如果前驱节点的waitstatus是SIGNAL状态(-1)，即shouldParkAfterFailedAcquire方法会返回true 程序会继续向下执行parkAndCheckInterrupt方法，用于将当前线程挂起

parkAndCheckInterrupt

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方法unlock()

sync.release(1);
tryRelease(arg)
unparkSuccessor

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1.6.5 AQS面试考点

你应该看过源码了，那么AQS里面有个变量叫State，它的值有几种？
3个状态：没占用是0，占用了是1，大于1是可重入锁

如果AB两个线程进来了以后，请问这个总共有多少个Node节点？
答案是3个

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