字节跳动大厂面试题详解：java中有哪些类型的锁-Toy模板网

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字节跳动大厂面试题详解：java中有哪些类型的锁

Java中的锁类型及详解

在Java中，锁是用来控制对共享资源的访问的机制。它们提供了多线程环境下的同步和互斥，以确保线程安全性。Java中有多种类型的锁，包括对象锁、类锁、读写锁、自旋锁等。

1. 对象锁（Synchronized）

对象锁是Java中最基本的锁类型之一，使用关键字 synchronized 来实现。它可以用于同步对对象实例方法和代码块的访问。

示例代码：

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    // 对象实例方法使用对象锁
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 对象实例方法也可以使用代码块来加锁
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }
}

2. 类锁（Synchronized）

类锁与对象锁类似，但是作用于类的所有实例。使用 synchronized 关键字修饰静态方法或者通过 Class 对象实现。

示例代码：

public class ClassLockExample {
    private static int count = 0;

    // 静态方法使用类锁
    public static synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 通过Class对象实现类锁
    public void decrement() {
        synchronized (ClassLockExample.class) {
            count--;
        }
    }
}

3. 读写锁（ReentrantReadWriteLock）

读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。这提高了读操作的并发性能。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private int value = 0;
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    // 读取操作
    public void read() {
        lock.readLock().lock(); // 获取读锁
        try {
            System.out.println("Read value: " + value); // 输出当前值
        } finally {
            lock.readLock().unlock(); // 释放读锁
        }
    }

    // 写入操作
    public void write(int newValue) {
        lock.writeLock().lock(); // 获取写锁
        try {
            value = newValue; // 更新值
            System.out.println("Write value: " + value); // 输出更新后的值
        } finally {
            lock.writeLock().unlock(); // 释放写锁
        }
    }
}

在上面的代码中，我使用ReentrantReadWriteLock实现了一个简单的读写锁示例。这个示例包括一个私有变量value用于存储数据，以及一个ReentrantReadWriteLock对象lock用于管理并发访问。

read() 方法用于读取数据。它首先获取读锁，然后输出当前的value值，并最终释放读锁。
write(int newValue) 方法用于写入数据。它首先获取写锁，然后更新value的值为newValue，输出更新后的值，并最终释放写锁。

通过使用读写锁，我可以实现对共享资源的并发访问控制，提高了程序的并发性能。

4. 自旋锁（Spin Lock）

自旋锁是一种基于循环等待的锁，线程在获取锁时不会被挂起，而是不断地尝试获取锁。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

/**
 * 自旋锁是一种基于循环等待的锁，线程在获取锁时不会被挂起，而是不断地尝试获取锁。
 */
public class SpinLockExample {
    private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    /**
     * 获取锁的方法
     */
    public void lock() {
        // 使用自旋方式尝试获取锁
        while (!locked.compareAndSet(false, true)) {
            // 如果获取失败，继续尝试获取
            // 在高并发情况下，可能会导致线程长时间处于自旋状态，消耗CPU资源
        }
    }

    /**
     * 释放锁的方法
     */
    public void unlock() {
        // 释放锁，将锁状态设置为false
        locked.set(false);
    }
}

在上述代码中，我实现了一个简单的自旋锁（Spin Lock）示例。自旋锁使用了AtomicBoolean来表示锁的状态，false表示锁未被持有，true表示锁已被持有。

lock() 方法用于获取锁。它使用了自旋的方式来尝试获取锁，不断地循环检查锁的状态，直到成功获取锁。
unlock() 方法用于释放锁。它将锁的状态设置为false，表示锁已被释放。

自旋锁的优势在于避免了线程的上下文切换，适用于短时间内持有锁的情况。然而，自旋锁可能会导致线程长时间处于忙等待状态，消耗CPU资源，因此在实际应用中需要谨慎使用。

5. 重入锁（ReentrantLock）

重入锁是一种与synchronized相似的锁，但提供了比synchronized更多的灵活性和功能，例如可中断锁、公平性等。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * ReentrantLock是Java并发包提供的可重入锁实现，允许同一个线程多次获取同一把锁。
 */
public class ReentrantLockExample {
    private int count = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * 对计数器进行加一操作
     */
    public void increment() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            count++; // 对计数器进行加一操作
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }
}

在上述代码中，我展示了使用ReentrantLock实现的一个简单示例。这个示例包括一个私有计数器count和一个ReentrantLock对象lock。

increment() 方法用于对计数器进行加一操作。在方法执行过程中，首先通过lock()方法获取锁，然后对计数器进行加一操作，最后通过unlock()方法释放锁。

ReentrantLock是Java并发包提供的可重入锁实现，允许同一个线程多次获取同一把锁。相比于synchronized关键字，ReentrantLock提供了更多的锁定操作和更灵活的控制，适用于更复杂的并发场景。

Java中锁的应用场景和详细案例

对象锁的应用场景

对象锁通常用于保护对对象实例的访问，例如多个线程对同一个对象进行操作时，可以使用对象锁确保线程安全。

示例代码：

public class ObjectLockExample {
    private int count = 0;

    // 对象实例方法使用对象锁
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

类锁的应用场景

类锁作用于类的所有实例，常用于控制对静态变量的访问，或者对静态方法的调用。

示例代码：

public class ClassLockExample {
    private static int count = 0;

    // 静态方法使用类锁
    public static synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

读写锁的应用场景

读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。适用于读操作远远多于写操作的场景。

示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private int value = 0;
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void read() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println("Read value: " + value);
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void write(int newValue) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            value = newValue;
            System.out.println("Write value: " + value);
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

自旋锁的应用场景

自旋锁适用于锁保护时间短、线程竞争不激烈的情况。它避免了线程挂起和恢复的开销，适用于多核CPU并发度高的场景。

示例代码：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

public class SpinLockExample {
    private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    public void lock() {
        while (!locked.compareAndSet(false, true)) {
            // 自旋等待锁释放
        }
    }

    public void unlock() {
        locked.set(false);
    }
}

重入锁的应用场景

重入锁提供了比synchronized更多的灵活性和功能，例如可中断锁、公平性等。适用于复杂的同步需求场景。

示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private int count = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

Java中锁的性能比较和最佳实践

锁的性能比较

在选择锁时，除了考虑功能和应用场景外，性能也是一个重要因素。不同类型的锁在性能上有所差异，因此需要根据具体情况进行选择。

对象锁（Synchronized）： JVM对Synchronized进行了优化，性能较高。但是，它是一种悲观锁，可能会导致线程阻塞和上下文切换。
重入锁（ReentrantLock）： 提供了比Synchronized更多的功能，例如可中断锁、公平性等。但是，它的性能略低于Synchronized。
读写锁（ReentrantReadWriteLock）： 适用于读操作远远多于写操作的场景，可以提高读操作的并发性能。
自旋锁（SpinLock）： 适用于锁保护时间短、线程竞争不激烈的情况，避免了线程挂起和恢复的开销。但是，如果锁保护时间过长或线程竞争激烈，会导致CPU消耗过多。
StampedLock： Java 8引入的新型锁，适用于读多写少的场景，性能优于ReentrantReadWriteLock。

锁的最佳实践

选择合适的锁类型： 根据具体场景选择合适的锁类型，避免过度同步。
精细化锁的粒度： 尽量缩小锁的范围，以减少锁的竞争，提高并发性能。
避免死锁： 设计良好的锁顺序，避免出现死锁情况。
合理使用锁的超时和中断功能： 在获取锁时可以设置超时时间，避免线程长时间等待，提高系统的响应性。
使用局部变量和线程封闭： 尽量使用局部变量和线程封闭的方式，避免共享资源的竞争。
优化并发数据结构： 使用Java并发包提供的并发数据结构，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，避免自己实现复杂的同步逻辑。

示例代码

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

public class LockExample {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

以上示例代码展示了如何使用重入锁（ReentrantLock），是一种性能较好且灵活的锁实现方式，适用于大多数并发场景。

Java并发编程锁的常见文体

1. 竞态条件（Race Conditions）

竞态条件是多线程环境下常见的问题，当多个线程同时访问共享资源，并且对资源的访问顺序产生依赖时，可能导致不确定的结果。

解决方案：

使用锁来保护共享资源，确保同一时间只有一个线程访问。
使用原子类（Atomic类）来实现原子操作，避免非线程安全操作。

2. 死锁（Deadlocks）

死锁是指两个或多个线程被无限期地阻塞，彼此等待对方释放资源，从而无法继续执行的情况。

解决方案：

设计良好的锁顺序，避免出现循环等待的情况。
使用tryLock()方法来避免死锁，及时释放已经获取的锁。

3. 上下文切换（Context Switching）

多线程之间的切换会带来上下文切换的开销，尤其是在多核CPU上，上下文切换可能成为性能瓶颈。

解决方案：

减少锁的粒度，尽量缩小同步代码块的范围，减少锁竞争。
使用无锁数据结构，减少对共享资源的争用。

4. 内存可见性（Memory Visibility）

在多线程环境下，如果一个线程对共享变量的修改对另一个线程是不可见的，可能导致意想不到的结果。

解决方案：

使用volatile关键字来保证变量的可见性。
使用synchronized关键字或ReentrantLock来保证线程间的内存可见性。

5. 并发集合的安全性

Java提供了许多并发安全的集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，但是在特定场景下仍需注意安全性。

解决方案：

选择合适的并发集合类，并了解其特性和限制。
使用迭代器时，注意遍历过程中集合的修改操作，避免ConcurrentModificationException异常。

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