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字節(jié)面試:說說Java中的鎖機制?

來源: 責編: 時間:2024-05-16 09:08:07 122觀看
導讀Java 中的鎖(Locking)機制主要是為了解決多線程環(huán)境下,對共享資源并發(fā)訪問時的同步和互斥控制,以確保共享資源的安全訪問。鎖的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:互斥訪問:確保在任何時刻,只有一個線程能夠訪問特定的資源或執(zhí)行特

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Java 中的鎖(Locking)機制主要是為了解決多線程環(huán)境下,對共享資源并發(fā)訪問時的同步和互斥控制,以確保共享資源的安全訪問。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

鎖的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 互斥訪問:確保在任何時刻,只有一個線程能夠訪問特定的資源或執(zhí)行特定的代碼段。這防止了多個線程同時修改同一資源導致的數(shù)據(jù)不一致問題。
  • 內(nèi)存可見性:通過鎖的獲取和釋放,可以確保在鎖保護的代碼塊中對共享變量的修改對其他線程可見。這是因為 Java 內(nèi)存模型(JMM)規(guī)定,對鎖的釋放會把修改過的共享變量從線程的工作內(nèi)存刷新到主內(nèi)存中,而獲取鎖時會從主內(nèi)存中讀取最新的共享變量值。
  • 保證原子性:鎖能夠保證在其保護的代碼塊內(nèi),一系列操作是不可分割的整體,即原子操作。這意味著在多線程環(huán)境下,這些操作不會被線程調(diào)度機制打斷,從而避免了數(shù)據(jù)的不完整修改。
  • 同步:協(xié)調(diào)線程間的執(zhí)行順序,使得某些操作在另一些操作完成之后再執(zhí)行,保證程序的邏輯正確性。例如,一個線程在寫入數(shù)據(jù)之后,另一個線程才能讀取該數(shù)據(jù),以確保讀取到的數(shù)據(jù)是最新的。

1.鎖策略

在 Java 中有很多鎖策略,用于對鎖進行分類和指導鎖的(具體)實現(xiàn),這些鎖策略包括以下內(nèi)容:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 樂觀鎖:它基于一種樂觀的思想,即認為數(shù)據(jù)一般情況下不會造成沖突,所以不會立即加上鎖,而是在數(shù)據(jù)進行更新提交的時候再進行檢查。如果發(fā)生沖突,則返回錯誤信息,讓用戶決定如何去做。
  • 悲觀鎖:它總是假設(shè)最壞的情況,每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認為別人會修改,所以每次在拿數(shù)據(jù)的時候都會上鎖,這樣別人想拿這個數(shù)據(jù)就會阻塞直到它拿到鎖。
  • 自旋鎖:如果持有鎖的線程能在很短時間內(nèi)釋放鎖,那么那些等待競爭鎖的線程就不需要做內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換進入阻塞掛起狀態(tài),它們只需要等一等(自旋就是空循環(huán)),等持有鎖的線程釋放鎖后即可立即獲取鎖,這樣就避免用戶線程和內(nèi)核的切換的消耗。
  • 可重入鎖(遞歸鎖):指的是同一個線程外層函數(shù)獲得鎖之后,內(nèi)層遞歸函數(shù)仍然能獲得該鎖的代碼。即,線程可以進入任何一個它已經(jīng)擁有的鎖所同步著的代碼塊。
  • 讀寫鎖:在讀寫場景中,讀操作可以并發(fā)進行,但寫操作需要互斥進行。通過讀寫鎖可以實現(xiàn)讀寫分離,提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。
  • 公平鎖/非公平鎖:公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖,類似排隊打飯,先到先得。非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序并不是按照申請鎖的順序,有可能后申請的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖。
  • 共享鎖/獨占鎖:共享鎖允許多個線程同時讀取一個資源,而獨占鎖則只允許一個線程訪問資源。
  • 輕量級鎖/重量級鎖:這些是 Java 在 JVM 層面對 synchronized 鎖的優(yōu)化,以減少線程之間的競爭和提高程序的性能。
  • 分段鎖:將一把鎖分成多段,允許不同的線程同時訪問不同的段,從而提高了并發(fā)訪問的性能。
  • 同步鎖:Java 內(nèi)建的一種同步機制,例如 synchronized,它可以修飾方法或代碼塊,用于保護共享資源的訪問。

2.鎖實現(xiàn)

在 Java 中也有一些具體的鎖實現(xiàn),用于代碼層面的鎖操作以此來保證線程安全的,這些常見的鎖實現(xiàn)有以下幾個:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • synchronized:內(nèi)置鎖(Monitor Lock),可以用于方法或代碼塊,提供互斥訪問。當一個線程進入 synchronized 方法或塊時,它會自動獲取對象的鎖,其他線程則需等待鎖釋放后才能進入。
  • ReentrantLock:是一個重入鎖,是 java.util.concurrent.locks 包中的接口 Lock 的實現(xiàn),提供了比 synchronized 更靈活的鎖操作,如嘗試獲取鎖、可中斷的獲取鎖、超時獲取鎖等。它也支持公平鎖和非公平鎖策略。
  • ReentrantReadWriteLock(讀寫鎖):也是 java.util.concurrent.locks 包中的一部分,允許同時有多個讀取者,但只允許一個寫入者。它分為讀鎖和寫鎖,讀鎖之間不互斥,讀鎖與寫鎖互斥,寫鎖之間也互斥,適用于讀多寫少的場景。
  • StampedLock(Java 8 引入):提供了三種鎖模式:讀鎖、寫鎖和樂觀讀鎖。相較于 ReentrantReadWriteLock,StampedLock 提供了更細粒度的控制,支持樂觀讀取操作,可以提高并發(fā)性能。

(1)synchronized 使用

synchronized 可以用來修飾普通方法、靜態(tài)方法和代碼塊s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

修飾普通方法

public synchronized void method() {    // .......}

當 synchronized 修飾普通方法時,被修飾的方法被稱為同步方法,其作用范圍是整個方法,作用的對象是調(diào)用這個方法的對象。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

修飾靜態(tài)方法

public static synchronized void staticMethod() {    // .......}

當 synchronized 修飾靜態(tài)的方法時,其作用的范圍是整個方法,作用對象是調(diào)用這個類的所有對象。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

修飾代碼塊

為了減少鎖的粒度,我們可以選擇在一個方法中的某個部分使用 synchronized 來修飾(一段代碼塊),從而實現(xiàn)對一個方法中的部分代碼進行加鎖,實現(xiàn)代碼如下:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

public void classMethod() throws InterruptedException {    // 前置代碼...        // 加鎖代碼    synchronized (SynchronizedExample.class) {        // ......    }        // 后置代碼...}

以上代碼在執(zhí)行時,被修飾的代碼塊稱為同步語句塊,其作用范圍是大括號“{}”括起來的代碼塊,作用的對象是調(diào)用這個代碼塊的對象。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

(2)ReentrantLock 使用

ReentrantLock 基本使用:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

// 1. 創(chuàng)建ReentrantLock對象ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 2.獲取鎖lock.lock(); try {    // 3.得到鎖,執(zhí)行需要同步的代碼塊} finally {    // 4.釋放鎖    lock.unlock(); }

進階使用:嘗試獲取鎖并設(shè)定超時時間(可選):s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 嘗試獲取鎖,等待2秒,超時返回falseboolean locked = lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS);if (locked) {    try {        // 執(zhí)行需要同步的代碼塊    } finally {        lock.unlock();    }}

(3)ReentrantReadWriteLock 使用

ReentrantReadWriteLock 特點如下:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • 多個線程可以同時獲取讀鎖,實現(xiàn)讀共享的并發(fā)訪問。
  • 寫鎖是排它的,一旦有一個線程獲取寫鎖,其他線程無法獲取讀鎖或?qū)戞i,直到寫鎖釋放。
  • 讀鎖與讀鎖之間可以共存,但寫鎖與讀鎖和寫鎖之間是互斥的。

也就是說:讀讀不互斥、讀寫互斥、寫寫互斥。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

ReentrantReadWriteLock 基礎(chǔ)使用如下:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

// 創(chuàng)建 ReentrantReadWriteLock 對象ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();// 創(chuàng)建讀鎖ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();// 獲取讀鎖readLock.lock(); try {    // 讀取共享資源的操作} finally {    // 釋放讀鎖    readLock.unlock(); }// 創(chuàng)建寫鎖ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();// 獲取寫鎖writeLock.lock();try {    // 寫入共享資源的操作} finally {    // 釋放寫鎖    writeLock.unlock(); }

(4)StampedLock 使用

StampedLock 有三種讀寫方法:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

  • readLock():讀鎖,用于多線程并發(fā)讀取共享資源。
  • writeLock():寫鎖,用于獨占寫入共享資源。
  • tryOptimisticRead():讀樂觀鎖,用于在不阻塞其他線程的情況下嘗試讀取共享資源。

其中 readLock() 和 writeLock() 方法與 ReentrantReadWriteLock 的用法類似,而 tryOptimisticRead() 方法則是 StampedLock 引入的新方法,它用于非常短的讀操作,它是使用如下:s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

// 創(chuàng)建 StampedLock 實例StampedLock lock = new StampedLock();// 獲取樂觀讀鎖long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 讀取共享變量if (!lock.validate(stamp)) { // 檢查樂觀讀鎖是否有效    stamp = lock.readLock(); // 如果樂觀讀鎖無效,則獲取悲觀讀鎖    try {        // 重新讀取共享變量    } finally {        lock.unlockRead(stamp); // 釋放悲觀讀鎖    }}// 獲取悲觀讀鎖long stamp = lock.readLock(); try {    // 讀取共享變量} finally {    lock.unlockRead(stamp); // 釋放悲觀讀鎖}// 獲取寫鎖long stamp = lock.writeLock(); try {    // 寫入共享變量} finally {    lock.unlockWrite(stamp); // 釋放寫鎖}

使用樂觀讀鎖的特性可以提高讀操作的并發(fā)性能,適用于讀多寫少的場景。如果樂觀讀鎖獲取后,在讀取共享變量前發(fā)生了寫入操作,則 validate 方法會返回 false,此時需要轉(zhuǎn)換為悲觀讀鎖或?qū)戞i重新訪問共享變量。s5P28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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