Java并发编程之锁的艺术：面试与实战指南（二）

文章目录

Java并发编程之锁的艺术：面试与实战指南（二）
- 前言
- 九、什么是独享锁和共享锁？
- - 独享锁（互斥锁）：
  - 共享锁（读写锁）：
- 十、锁的粒度是什么？如何选择合适的锁粒度？
- 十一、谈谈你对Java内存模型（JMM）和锁的关系的理解？
- 十二、Java锁的升级原理是什么？
- 十三、什么是偏向锁？
- 十四、轻量级锁和重量级锁有什么区别？
- 十五、如何监控和调优Java应用的锁性能？
- - 一、监控锁性能
  - 二、调优锁性能
- 十六、如何在分布式系统中实现锁？
- - 基于数据库的锁：
  - 基于Redis的锁：
  - 基于ZooKeeper的锁：
  - 基于etcd的锁：
  - 基于分布式协调服务（如Chubby或Consul）的锁：
  - 基于时间戳的锁：

🌈你好呀！我是山顶风景独好
💝欢迎来到我的博客，很高兴能够在这里和您见面！
💝希望您在这里可以感受到一份轻松愉快的氛围！
💝不仅可以获得有趣的内容和知识，也可以畅所欲言、分享您的想法和见解。
🚀 欢迎一起踏上探险之旅，挖掘无限可能，共同成长！

前言

本系列地址：
Java并发编程之锁的艺术：面试与实战指南（一）
Java并发编程之锁的艺术：面试与实战指南（二）
Java并发编程之锁的艺术：面试与实战指南（三）

九、什么是独享锁和共享锁？

独享锁（互斥锁）：

定义：独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。
特点：独享锁是一种悲观保守的加锁策略，它避免了读/读冲突。如果某个线程获取了独享锁，那么其他所有试图访问该资源的线程都必须等待，直到该锁被释放。这种策略可能会限制不必要的并发性，因为在某些情况下，读操作并不会影响数据的一致性。
示例：在Java中，ReentrantLock就是以独占方式实现的互斥锁。

共享锁（读写锁）：

定义：共享锁是指该锁可同时被多个线程所持有，允许多个线程并发访问共享资源。
特点：共享锁是一种乐观锁，它放宽了加锁策略，允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。但是，如果有线程想要进行写操作（即修改数据），那么它必须等待所有其他持有共享锁的线程释放锁之后才能获取独占锁，然后进行写操作。
示例：在Java中，ReadWriteLock接口的实现类（如ReentrantReadWriteLock）提供了读锁和写锁。读锁是共享锁，允许多个线程同时读取数据；而写锁是独享锁，只能被一个线程持有，用于修改数据。

十、锁的粒度是什么？如何选择合适的锁粒度？

锁的粒度指的是在并发编程中，锁的加锁范围大小的选择，即锁所保护的临界区的大小。

锁的粒度可以分为以下几种常见类型：
- 细粒度锁（Fine-Grained Locking）：在细粒度锁中，锁的范围非常小，通常是某个特定数据结构的单个元素或一小部分数据。这允许多个线程并发地访问不同的元素或数据片段，从而提高并发性。然而，细粒度锁可能会引入更多的锁开销和线程同步开销。
- 粗粒度锁（Coarse-Grained Locking）：在粗粒度锁中，锁的范围较大，通常是整个数据结构或数据集。这可以保证线程对共享资源的互斥访问，避免数据竞争和并发错误。但是，粗粒度锁可能会导致并发性能下降，因为多个线程无法同时访问共享资源。
选择合适的锁粒度要考虑以下因素：
- 并发性需求：如果系统需要高并发性能，那么较细粒度的锁可能更合适，因为它允许更多的并发访问。然而，如果并发性要求不高，那么较粗粒度的锁可能更简单有效。
- 数据的独立性：锁的粒度应该与数据的独立性相匹配。如果多个数据之间是独立的，可以考虑使用更细粒度的锁，以允许更多的并发访问。然而，如果多个数据之间存在依赖关系，可能需要使用更粗粒度的锁来确保数据的一致性。
- 临界区的竞争程度：当临界区的竞争较激烈时，选择较粗的锁粒度可以减少锁竞争的开销。相反，当临界区的竞争较弱时，选择较细的锁粒度可以提高并发性能和可扩展性。
- 性能要求：锁的粒度选择也会影响到系统的性能。在评估锁的粒度时，需要考虑实际的并发场景、性能测试和对代码的复杂性和维护成本的影响。

十一、谈谈你对Java内存模型（JMM）和锁的关系的理解？

目标一致性：
- Java内存模型（JMM）的主要目标是定义程序中各个共享变量的访问规则，确保多线程环境下的数据一致性和可见性。
- 锁（Lock）作为一种并发控制机制，其主要目标是保护共享资源，防止多个线程同时访问或修改同一个资源而导致数据不一致或竞态条件的问题。
操作方式：
- JMM定义了五种操作，包括lock（锁定）、unlock（解锁）、read（读取）、load（载入）、use（使用）、store（存储）、write（写入）等。这些操作在遵守JMM的规范下，才能保证多线程操作的正确性。
- 在Java中，当线程需要访问某个共享变量时，会先获取该变量所在对象的锁（即互斥锁），然后执行读或写操作，最后释放锁。这样可以确保同一时刻只有一个线程能够访问该变量，从而避免数据不一致的问题。
可见性：
- JMM通过volatile关键字和synchronized关键字等机制来确保多线程之间的可见性。volatile变量具有特殊的内存语义，它确保了对volatile变量的写操作能立即被其他线程看到。而synchronized关键字则通过互斥锁来确保线程间的可见性和原子性。
- 锁机制本身也提供了可见性的保证。当一个线程获取了某个对象的锁时，它会读取该对象的最新状态（包括其他线程对该对象的状态所做的修改）。当该线程释放锁时，它会将该对象的状态写回到主内存中，从而确保其他线程能够看到这个线程所做的修改。
性能影响：
- JMM和锁机制都会对程序的性能产生影响。频繁地获取和释放锁会增加线程的开销和竞争开销，从而降低程序的性能。而JMM的规范也会对程序的性能产生影响，因为编译器和JVM需要遵循这些规范来确保程序的正确性。
- 在设计并发程序时，需要权衡并发性和性能之间的关系。在需要保证数据一致性和可见性的情况下，可能需要使用更严格的锁机制或遵循更严格的JMM规范；而在对性能要求较高的情况下，可能需要使用更细粒度的锁或更宽松的JMM规范来降低开销。

十二、Java锁的升级原理是什么？

无锁状态：这是锁的初始状态，当没有线程访问共享资源时，锁处于无锁状态。
偏向锁：偏向锁是Java 6引入的一种锁优化策略。它的主要思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时记录下这个线程的信息。当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，因为JVM可以认为这个线程已经拥有了锁。这样做的目的是为了消除无竞争的同步原语，进一步提高程序的运行性能。偏向锁适用于只有一个线程访问同步块的场景。
轻量级锁：当有其他线程尝试获取偏向锁时，偏向锁就会升级为轻量级锁。轻量级锁是一种比重量级锁更轻量级的同步机制，它采用CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁。如果成功，则当前线程获得锁；如果失败，则进入自旋等待状态，直到成功获取锁或者自旋次数达到上限。轻量级锁适用于线程冲突不激烈的情况，可以提高程序的并发性能。
重量级锁：当轻量级锁自旋等待超过一定次数（默认为10次）后仍然没有成功获取锁，或者JVM检测到存在多个线程在竞争同一个锁时，轻量级锁就会升级为重量级锁。重量级锁采用操作系统提供的互斥量（Mutex）来实现，它会阻塞等待锁的线程，直到拥有锁的线程释放锁。重量级锁的开销相对较大，但可以保证在竞争激烈的场景下程序的正确性和性能。

十三、什么是偏向锁？

偏向锁是Java中的一种锁优化策略，用于减少没有竞争情况下的同步操作的开销。

它的核心思想是，当一个线程访问一个被标记为同步块的对象时，如果该对象没有被其他线程占用，则该线程将直接获得该对象的锁。如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁的时候，无须再做任何同步操作，从而节省了大量关于锁申请的操作，提升了性能。
偏向锁的获取流程是：首先查看Mark Word中偏向锁的标识以及锁标志位，如果偏向锁为1且锁标志位为01，则该锁为可偏向状态。当对象被当做同步锁并有一个线程抢到了锁时，锁标志位还是01，“是否偏向锁”标志位设置为1，并且记录抢到锁的线程ID，表示进入偏向锁状态。
然而，一旦出现其他线程竞争锁资源时，偏向锁就会被撤销。偏向锁的撤销需要等待全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时检查该线程是否还在执行该方法，如果是，则升级锁，反之则被其他线程抢占。
偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争。在某些情况下，例如创建一个线程并在线程中执行循环监听的场景，或单线程操作一个线程安全集合时，偏向锁可以有较好的优化效果。

十四、轻量级锁和重量级锁有什么区别？

加锁和解锁的开销：
- 轻量级锁：轻量级锁是一种比重量级锁更轻量级的同步机制。它使用CAS（Compare-And-Swap）操作来实现互斥访问，可以在没有竞争的情况下快速获取锁。因此，轻量级锁的开销较小，可以提高并发性能。
- 重量级锁：重量级锁是一种互斥锁，提供了最高的线程安全性。但是，由于其实现机制较为复杂，涉及系统调用和线程阻塞/唤醒等操作，因此其加锁和解锁的开销相对较大。
适用场景：
- 轻量级锁：轻量级锁适用于只有一个线程访问同步块的情况，或者线程冲突不激烈的情况。在这种情况下，轻量级锁可以通过自旋等方式快速获取锁，从而提高程序的并发性能。
- 重量级锁：重量级锁则适用于多个线程同时竞争同步块的情况。当一个线程请求获取某个对象的锁时，JVM会把这个请求转换成重量级锁，并阻塞该线程，直到其他持有该对象锁的线程释放掉这个锁才能被唤醒。虽然这可能导致线程阻塞和性能下降，但重量级锁可以确保数据的正确性和一致性。
锁的状态转换：
- 当轻量级锁自旋等待超过一定次数（默认为10次）后仍然没有成功获取锁，或者JVM检测到存在多个线程在竞争同一个锁时，轻量级锁就会升级为重量级锁。
- 在某些情况下，例如偏向锁失效时，也可能直接升级到重量级锁。
性能影响：
- 由于轻量级锁的开销较小，因此在轻量级锁适用的场景中，使用轻量级锁可以提高程序的并发性能。然而，在竞争激烈的情况下，轻量级锁的自旋等待可能会消耗大量的CPU资源，反而降低性能。
- 重量级锁虽然开销较大，但在确保数据一致性和正确性方面有着重要的作用。在需要确保数据完整性和一致性的情况下，重量级锁是非常有用的。

十五、如何监控和调优Java应用的锁性能？

一、监控锁性能

选择合适的监控工具：
- 使用如VisualVM、JProfiler、YourKit等Java性能分析工具，它们通常提供对锁性能的深入洞察。
- 选择监控工具时，考虑其准确性、灵活性和性能开销。
- 可以考虑使用开源工具或自行开发定制化的监控方案。
优化监控策略：
- 为了降低性能开销，可以优化监控策略，例如减少不必要的日志记录，降低指标采集的频率。
- 根据系统的实际负载情况动态调整监控策略，以平衡监控效果和性能开销。
分析监控数据：
- 结合监控工具提供的实时数据和历史数据进行分析。
- 注意查看锁竞争情况、锁等待时间、锁持有时间等指标。
- 结合系统的日志信息进行排查，以便更准确地定位性能问题。

二、调优锁性能

减少锁的持有时间：
- 只在必要时才获取锁，尽快释放锁。
- 缩小锁的范围，避免长时间持有锁。
- 使用读写锁（ReadWriteLock）来替代独占锁，以便在多个线程可以并发读取共享资源时提高性能。
选择合适的锁：
- Java语言提供了多种锁的实现，包括synchronized、ReentrantLock、ReadWriteLock等。在选择锁时，需要根据竞争情况和功能需求来选择合适的锁。
- 考虑使用乐观锁或无锁数据结构来减少锁竞争。
优化锁粒度：
- 锁的粒度越细，并发性能通常越高。但是，过细的锁粒度可能导致更多的锁竞争和开销。因此，需要在并发性和性能之间找到平衡。
- 可以尝试使用锁分离、锁粗化等技术来优化锁粒度。
使用JVM内置的优化机制：
Java虚拟机（JVM）对锁进行了一些优化，例如锁偏向、轻量级锁和自旋锁等。了解这些优化机制并充分利用它们可以提高锁性能。
考虑使用并发集合：
Java并发包（java.util.concurrent）提供了许多并发集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。这些集合类在内部实现了对并发访问的优化，可以减少锁的使用并提高性能。
进行性能测试和分析：
- 在进行锁性能调优后，需要进行性能测试来验证调优效果。可以使用JMeter、LoadRunner等工具进行压力测试。
- 通过分析测试结果来评估锁性能是否满足需求，并根据需要进行进一步的调优。

十六、如何在分布式系统中实现锁？

基于数据库的锁：

使用数据库的行级锁或表级锁来实现分布式锁。例如，可以创建一个特定的锁表，并尝试通过插入或更新操作来获取锁。
这种方法简单直接，但性能可能受到数据库性能的限制，并且需要确保数据库的高可用性和一致性。

基于Redis的锁：

Redis提供了setnx（set if not exists）命令，可以用于实现分布式锁。当一个客户端需要获取锁时，它使用setnx命令尝试在Redis中设置一个键值对，其中键是锁的唯一标识，值是客户端的标识和锁的过期时间。
如果setnx命令成功执行，则客户端获得了锁；否则，客户端需要等待或重试。
在使用Redis实现分布式锁时，需要注意Redis集群的分区容错性和时钟漂移问题。

基于ZooKeeper的锁：

ZooKeeper是一个开源的分布式协调服务，它提供了一组丰富的API来支持分布式锁的实现。
可以通过在ZooKeeper中创建一个临时有序节点来实现分布式锁。当客户端需要获取锁时，它尝试在特定的目录下创建一个节点，并根据节点的创建顺序来确定是否获得了锁。
ZooKeeper提供了强大的容错性和一致性保证，因此基于ZooKeeper的分布式锁通常比基于Redis的锁更可靠。