介绍

死锁是指两个线程同时占用两个资源,又在彼此等待对方释放锁资源,如下图所示:

死锁的代码演示如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class LockExample {
    public static void main(String[] args) {
        deadLock(); // 死锁
    }

    /**
     * 死锁
     */
    private static void deadLock() {
        Object lock1 = new Object();
        Object lock2 = new Object();
        // 线程一拥有 lock1 试图获取 lock2
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("获取 lock1 成功");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 试图获取锁 lock2
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            }
        }).start();
        // 线程二拥有 lock2 试图获取 lock1
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("获取 lock2 成功");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 试图获取锁 lock1
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            }
        }).start();
    }
}

以上程序执行结果如下:

1
2
3
获取 lock1 成功
获取 lock2 成功

可以看出当我们使用线程一拥有锁 lock1 的同时试图获取 lock2,而线程二在拥有 lock2 的同时试图获取 lock1,这样就会造成彼此都在等待对方释放资源,于是就形成了死锁。

锁是指在并发编程中,当有多个线程同时操作一个资源时,为了保证数据操作的正确性,我们需要让多线程排队一个一个的操作此资源,而这个过程就是给资源加锁和释放锁的过程,就好像去公共厕所一样,必须一个一个排队使用,并且在使用时需要锁门和开门一样。

考点分析

锁的概念不止出现在 Java 语言中,比如乐观锁和悲观锁其实很早就存在于数据库中了。锁的概念其实不难理解,但要真正的了解锁的原理和实现过程,才能打动面试官。

和锁相关的面试问题,还有以下几个:

  • 什么是乐观锁和悲观锁?它们的应用都有哪些?乐观锁有什么问题?
  • 什么是可重入锁?用代码如何实现?它的实现原理是什么?
  • 什么是共享锁和独占锁?

知识扩展

1. 悲观锁和乐观锁

悲观锁指的是数据对外界的修改采取保守策略,它认为线程很容易会把数据修改掉,因此在整个数据被修改的过程中都会采取锁定状态,直到一个线程使用完,其他线程才可以继续使用。

我们来看一下悲观锁的实现流程,以 synchronized 为例,代码如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
public class LockExample {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (LockExample.class) {
            System.out.println("lock");
        }
    }
}

使用反编译工具查到的结果如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
Compiled from "LockExample.java"
public class com.lagou.interview.ext.LockExample {
  public com.lagou.interview.ext.LockExample();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
 
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // class com/lagou/interview/ext/LockExample
       2: dup
       3: astore_1
       4: monitorenter // 加锁
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String lock
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      14: monitorexit // 释放锁
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any
}


可以看出被 synchronized 修饰的代码块,在执行之前先使用 monitorenter 指令加锁,然后在执行结束之后再使用 monitorexit 指令释放锁资源,在整个执行期间此代码都是锁定的状态,这就是典型悲观锁的实现流程。

乐观锁和悲观锁的概念恰好相反,乐观锁认为一般情况下数据在修改时不会出现冲突,所以在数据访问之前不会加锁,只是在数据提交更改时,才会对数据进行检测。

Java 中的乐观锁大部分都是通过 CAS(Compare And Swap,比较并交换)操作实现的,CAS 是一个多线程同步的原子指令,CAS 操作包含三个重要的信息,即内存位置、预期原值和新值。如果内存位置的值和预期的原值相等的话,那么就可以把该位置的值更新为新值,否则不做任何修改。

CAS 可能会造成 ABA 的问题,ABA 问题指的是,线程拿到了最初的预期原值 A,然而在将要进行 CAS 的时候,被其他线程抢占了执行权,把此值从 A 变成了 B,然后其他线程又把此值从 B 变成了 A,然而此时的 A 值已经并非原来的 A 值了,但最初的线程并不知道这个情况,在它进行 CAS 的时候,只对比了预期原值为 A 就进行了修改,这就造成了 ABA 的问题。

以警匪剧为例,假如某人把装了 100W 现金的箱子放在了家里,几分钟之后要拿它去赎人,然而在趁他不注意的时候,进来了一个小偷,用空箱子换走了装满钱的箱子,当某人进来之后看到箱子还是一模一样的,他会以为这就是原来的箱子,就拿着它去赎人了,这种情况肯定有问题,因为箱子已经是空的了,这就是 ABA 的问题。

ABA 的常见处理方式是添加版本号,每次修改之后更新版本号,拿上面的例子来说,假如每次移动箱子之后,箱子的位置就会发生变化,而这个变化的位置就相当于“版本号”,当某人进来之后发现箱子的位置发生了变化就知道有人动了手脚,就会放弃原有的计划,这样就解决了 ABA 的问题。

JDK 在 1.5 时提供了 AtomicStampedReference 类也可以解决 ABA 的问题,此类维护了一个“版本号” Stamp,每次在比较时不止比较当前值还比较版本号,这样就解决了 ABA 的问题。

相关源码如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
public class AtomicStampedReference<V> {
    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp; // “版本号”
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }
    // 比较并设置
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp, // 原版本号
                                 int newStamp) { // 新版本号
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
    //.......省略其他源码
}


可以看出它在修改时会进行原值比较和版本号比较,当比较成功之后会修改值并修改版本号。

小贴士:乐观锁有一个优点,它在提交的时候才进行锁定的,因此不会造成死锁。

可重入锁

可重入锁也叫递归锁,指的是同一个线程,如果外面的函数拥有此锁之后,内层的函数也可以继续获取该锁。在 Java 语言中 ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁。

下面用 synchronized 来演示一下什么是可重入锁,代码如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

public class LockExample {
    public static void main(String[] args) {
        reentrantA(); // 可重入锁
    }
    /**
     * 可重入锁 A 方法
     */
    private synchronized static void reentrantA() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":执行 reentrantA");
        reentrantB();
    }
    /**
     * 可重入锁 B 方法
     */
    private synchronized static void reentrantB() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":执行 reentrantB");
    }
}

以上代码的执行结果如下:

1
2
3
main:执行 reentrantA
main:执行 reentrantB

从结果可以看出 reentrantA 方法和 reentrantB 方法的执行线程都是“main” ,我们调用了 reentrantA 方法,它的方法中嵌套了 reentrantB,如果 synchronized 是不可重入的话,那么线程会被一直堵塞。

可重入锁的实现原理,是在锁内部存储了一个线程标识,用于判断当前的锁属于哪个线程,并且锁的内部维护了一个计数器,当锁空闲时此计数器的值为 0,当被线程占用和重入时分别加 1,当锁被释放时计数器减 1,直到减到 0 时表示此锁为空闲状态。

共享锁和独占锁

只能被单线程持有的锁叫独占锁,可以被多线程持有的锁叫共享锁。

独占锁指的是在任何时候最多只能有一个线程持有该锁,比如 synchronized 就是独占锁,而 ReadWriteLock 读写锁允许同一时间内有多个线程进行读操作,它就属于共享锁。

独占锁可以理解为悲观锁,当每次访问资源时都要加上互斥锁,而共享锁可以理解为乐观锁,它放宽了加锁的条件,允许多线程同时访问该资源。

小结

悲观锁的典型应用为 synchronized,它的特性为独占式互斥锁;而乐观锁相比于悲观锁而言,拥有更好的性能,但乐观锁可能会导致 ABA 的问题,常见的解决方案是添加版本号来防止 ABA 问题的发生。同时,还讲了可重入锁,在 Java 中,synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。最后,讲了独占锁和共享锁,其中独占锁可以理解为悲观锁,而共享锁可以理解为乐观锁。