阳哥讲面试题（一）volatile，cas，多线程集合类，各种锁

一、volatile

volatile是java虚拟机提供的轻量级的同步机制；

三大特性：保证可见性，不保证原子性，禁止指令重排

JMM（Java内存模型）-->(三大特性：可见性，原子性，有序性)

  • 可见性
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    验证可见性代码
//volatile可以保证可见性，及时通知其他线程，主物理内存的值已经被修改
protected static void seeOKByVolatile() {
	MyData myData = new MyData();
	new Thread(()->{
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 come in");
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		myData.addTO60();
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 updated number value：" + myData.number);
	},"AAA").start();
	 
	//第二个线程就是我们main线程
	while(myData.number == 0) {
		//main线程一直在这里等待循环，直到number值不在等于0
	}
	
	System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 mission is over,main get number value：" + myData.number);
}
  • 不保证原子性
class MyData{
	volatile int number = 0;
	
	public void addTO60(){
		this.number = 60;
	}
	
	//number ++在多线程环境下是非线程安全的
	public void addPlusPlus() {
		number ++;
	}
	
	//默认是0
	AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
	
	public void addMyAtomic() {
		atomicInteger.getAndIncrement();
	}
}
/**
 * 1验证volatile的可见性
 * 	1.1，假如int number = 0;number变量之前根本没有添加volatile关键字修饰，没有可见性
 *  1.2，添加了volatile，可以解决可见性问题
 * 2验证volatile不保证原子性
 * 	2.1，原子性指的是不可分割，完整性，也即某个线程正在做某个具体业务时，中间不可以被加塞或者被分割，需要整体完整。
 * 		要么同时成功，要么同时失败。
 * 	2.2，volatile不保证原子性的案例演示
 * 	2.3，why
 * 	2.4，如何解决原子性？
 * 		*加Synchronized
 * 		*使用我们juc下的atomicInteger
 * @author Administrator
 *
 */
public class VolatileDemo {

	public static void main(String[] args) {
//		seeOKByVolatile();
		MyData myData = new MyData();
		for (int i = 1; i <= 20; i++) {
			new Thread(() ->{
				for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
					myData.addPlusPlus();
					myData.addMyAtomic();
				}
			},"线程" + i).start();
		}
		
		//需要等待上面20个线程都全部计算完成后，再用main线程取得最终的结果
		while(Thread.activeCount() > 2) {
			Thread.yield();
		}
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 int type, finally number value：" + myData.number);
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 AtomicInteger type, finally number value：" + myData.atomicInteger);
	}
}
  • 禁止指令重排
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public class ReSortSeqDemo {

	int a = 0;
	boolean flag = false;
	
	public void method1() {
		a = 1;
		flag = true;
	}
	public void method2() {
		if(flag) {
			a = a + 5;
			System.out.println("a的值是："+ a);
		}
	}
}

同时开启多个线程执行method1和method2，可能method1中的flag=true先执行，然后就执行method2，那么a此时就是5，之后才执行a=1，这就是指令重排了，那么为了禁止指令重排，为了防止flag=true先执行，那么就用volatile修饰。
禁止指令重排小结
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二、多线程下的单例模式

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public class SingletonDemo {
	
	private volatile static SingletonDemo instance = null;

	private SingletonDemo() {
		System.out.println("构造器被调用");
	}
	
	public static SingletonDemo getInstance() {
		if(instance == null) {
			synchronized (SingletonDemo.class) {
				if(instance == null) {
					instance = new SingletonDemo();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
}

三、CAS（CompareAndSet）比较并交换

public class CASDemo {

	public static void main(String[] args) {
		AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
		System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + "	 current data：" + atomicInteger.get());
		System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + "	 current data：" + atomicInteger.get());
	}
}

底层原理（unsafe的理解）unsafe位于rt.jar/sun/misc/unsafe.class---自旋

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  • 调用getAndIncrement(),实则是调用getAndAddInt(),然后打开该方法的源码；
  • 首先是通过getIntVolatile()取得主内存的值var5，然后调用compareAndSwapInt()方法，意思就是比较当前对象var1和内存地址偏移量var2下的值和var5做比较，如果相等，那么执行var5+var4，否则的话，继续循环；直到相等为止，退出循环。
  • 退出循环的条件是this.compareAndSwapInt()方法返回true（也是值相等，而且已经var5+var4加完了），然后取反，则退出do-while循环。

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cas缺点

  • 1.循环时间长，开销大
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  • 2.只能保证一个共享变量的原子操作
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  • 3.可能产生ABA问题
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原子引用Demo

public class AtomicReferenceDemo {

	public static void main(String[] args) {
		
		User user1 = new User("张三",13);
		User user2 = new User("李四",13);
		
		AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<User>();
		atomicReference.set(user1);
		System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1, user2) + "	" + atomicReference.get().toString());
		System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1, user2) + "	" + atomicReference.get().toString());
	}
}

class User{
	String username;
	int age;
	//省略get，set，tostring
}

ABA问题的解决

public class ABADemo {

	static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<Integer>(100);
	static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 1);
	
	public static void main(String[] args) {
		
		System.out.println("==========以下是ABA问题的产生===========");
		new Thread(()->{
			atomicReference.compareAndSet(100, 101);
			atomicReference.compareAndSet(101, 100);
		},"T1").start();
		
		new Thread(()->{
			try {//暂停1秒钟t2线程，保证t1线程完成一次ABA
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2021) + "	" + atomicReference.get());
		},"T2").start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("==========以下是ABA问题的解决===========");
		new Thread(()->{
			int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	第一次版本号：" + stamp);
			try {
				//暂停1秒钟t3线程，保证t3和t4线程同时拿到1这个版本号
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	第二次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
			atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	第三次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
		},"T3").start();
		
		new Thread(()->{
			int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	第一次版本号：" + stamp);
			try {
				//暂停3秒钟t4线程，保证上面的t3线程完成了一次ABA操作
				TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2021, stamp, stamp + 1);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 修改成功否：" + result + "当前最终实际版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	当前实际最新值" + atomicStampedReference.getReference());
		},"T4").start();
	}
}

四、集合类不安全问题

故障现象

  • 目前用了三个线程，还没有报错。
public class ContainerNotSafeDemo {
	public static void main(String[] args) {
		List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			new Thread(()->{
				list.add(new Random().nextInt(100));
				System.out.println(list);
			},"线程" + i).start();
		}
	}
}
  • 当用了30个线程的时候，就会报错了（ConcurrentModificationException）
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导致原因

并发争抢导致修改失败，参考我们的花名册签名情况；
一个人正在写入，另外一个同学过来争抢，导致数据不一致异常，并发修改异常。

解决方案

针对List集合

  • new Vector()可以解决；
  • Collections.synchronizedList(new ArrayList())可以解决；
  • new CopyOnWriteArrayList()可以解决；
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针对Set集合

  • Collections.synchronizedSet(new HashSet())可以解决；
  • new CopyOnWriteArraySet()可以解决，底层依然是CopyOnWriteArrayList；

针对Map集合

  • Collections.synchronizedMap(new HashMap<String,String>())可以解决；
  • new ConcurrentHashMap<String, String>()可以解决；

五、锁

公平锁与非公平锁

Lock lock = new ReentrantLock();默认非公平锁
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  • 区别
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可重入锁（递归锁）

  • 介绍
    可重入锁最大的作用是避免死锁。
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    ReentrantLock和synchronized就是一个典型的可重入锁
  • 代码
class Phone implements Runnable{
	public synchronized void sendSMS() {
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 invoked sendSMS()");
		sendEmail();
	}
	
	public synchronized void sendEmail() {
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 invoked sendEmail()");
	}

	Lock lock = new ReentrantLock();
	
	@Override
	public void run() {
		get();
	}

	public void get() {
		//lock.lock();加几次锁，就需要减一次锁（lock.unlock()）
		lock.lock();
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 invoked get()");
			set();
		}finally {
			lock.unlock();
		}
	}
	public void set() {
		lock.lock();
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 invoked set()");
		}finally {
			lock.unlock();
		}
	}
}

/**
 * case1-->synchronized是典型的可重入锁；
 * ********控制台输出************
 *  T1	 invoked sendSMS()
 *	T1	 invoked sendEmail()
 *	T2	 invoked sendSMS()
 *	T2	 invoked sendEmail()
 *  ********************
 *  case2-->ReentrantLock是典型的可重入锁；
 * ********控制台输出************
 *  T4	 invoked get()
 *  T4	 invoked set()
 *  T3	 invoked get()
 *  T3	 invoked set()
 *
 */
public class ReentrantLockDemo {

	public static void main(String[] args) {
		
		Phone phone = new Phone();
		
		new Thread(() -> {
			phone.sendSMS();
		},"T1").start();
		
		new Thread(() -> {
			phone.sendSMS();
		},"T2").start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println();
		System.out.println();
		System.out.println();
		
		Thread t3 = new Thread(phone,"T3");
		Thread t4 = new Thread(phone,"T4");
		t3.start();
		t4.start();
	}
}

自旋锁

  • 介绍
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  • 代码（自己实现自旋锁）
/**
 * TODO 实现一个自旋锁
 * 自旋锁好处：循环比较获取直到成功为止，没有类似wait的阻塞；
 * 
 * 通过CAS操作完成自旋锁，A线程先进来调用myLock方法自己持有锁5秒钟，B随后进来发现
 * 当前有线程持有锁，不是null，所以只能通过自旋等待，直到A释放锁后B随后抢到。
 * 
 * @author kakaluote
 * @date 2021年6月29日 上午9:29:43
 */
public class SpinLockDemo {

	AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<Thread>();
	
	public void myLock(){
		Thread thread = Thread.currentThread();
		System.out.println(thread.getName() + "	 come in");
		//如果设置值成功，那么退出while
		while(!atomicReference.compareAndSet(null, thread)){
			
		}
	}
	public void myUnLock(){
		Thread thread = Thread.currentThread();
		atomicReference.compareAndSet(thread, null);
		System.out.println(thread.getName() + "	 invoked myUnLock()");
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();
		
		new Thread(() -> {
			spinLockDemo.myLock();
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
			} catch (Exception e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			spinLockDemo.myUnLock();
		},"T1").start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (Exception e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		
		new Thread(() -> {
			spinLockDemo.myLock();
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (Exception e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			spinLockDemo.myUnLock();
		},"T2").start();
	}
}

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输出解释：
T1先执行，1s后T2执行，但是T1已经执行完compareAndSet，已经成功设置值为thread，t2只能阻塞，然后T1执行5s之后，t1执行unlock，设置值为null，退出，然后t2就执行compareAndSet,1s之后，t2执行完。

独占锁（写锁）/共享锁（读锁）/互斥锁

  • 介绍
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  • 代码
/**
 * TODO 读读可以共存，读写，写读不能共存
 * 
 * @author kakaluote 写操作：原子加独占，整个过程必须是一个完整的统一体，中间不许被分割，被打断。
 * @date 2021年6月29日 下午2:13:38
 */
public class ReadWriteLockDemo {

	public static void main(String[] args) {
		MyCache myCache = new MyCache();
		
		for (int i = 1; i <= 5; i++) {
			final int tem = i;
			new Thread(() -> {
				myCache.put(tem + "", tem + "");
			},"线程" + i).start();
		}
		
		for (int i = 1; i <= 5; i++) {
			final int tem = i;
			new Thread(() -> {
				myCache.get(tem + "");
			},"线程" + i).start();
		}
	}
}

class MyCache{
	private volatile Map<String,Object> map = new HashMap<String,Object>();
	private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
	
	//写操作独占，不可中断
	public void put(String key,Object value){
		
		rwLock.writeLock().lock();
		try{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 正在写入：" + key);
			try {
				//模拟网络拥堵
				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			map.put(key, value);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 写入完成：");
		}catch(Exception e){
			
		}finally{
			rwLock.writeLock().unlock();
		}
	}
	
	public void get(String key){
		
		rwLock.readLock().lock();
		try{
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 正在读取：");
			try {
				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			Object result = map.get(key);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	 读取完成：" + result);
		}catch(Exception e){
			
		}finally{
			rwLock.readLock().unlock();
		}
	}
}

输出结果：

线程3	 正在写入：3
线程3	 写入完成：
线程2	 正在写入：2
线程2	 写入完成：
线程1	 正在写入：1
线程1	 写入完成：
线程4	 正在写入：4
线程4	 写入完成：
线程5	 正在写入：5
线程5	 写入完成：
线程2	 正在读取：
线程1	 正在读取：
线程3	 正在读取：
线程5	 正在读取：
线程4	 正在读取：
线程3	 读取完成：3
线程4	 读取完成：4
线程2	 读取完成：2
线程1	 读取完成：1
线程5	 读取完成：5
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