JAVA面试备战(五)--并发编程

synchronized

synchronized有如下3种使用方式

普通同步方法，锁是当前实例对象

静态同步方法，锁是当前类的class对象

同步方法块，锁是括号里面的对象

当一个线程访问同步代码块时，需要获得锁才能执行，当退出或者抛出异常的时候要释放锁。那么是怎么实现的呢，我们来看一段代码

我们用javap来分析一下编译后的class文件，看看synchronized如何实现的

从这个截图上可以看出，同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的， monitorenter插入到代码块开始的地方，monitorexit插入到代码块结束的地方，当monitor被持有后，就处于锁定状态，也就是上锁了。

下面我们深入分析一下synchronized实现锁的两个重要的概念：Java对象头和monitor

Java对象头：

synchronized的锁是存在对象头里的，对象头由两部分数据组成：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）

Mark Word存储了对象自身运行时数据，如hashcode、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向锁ID等等。是实现轻量级锁和偏向锁的关键，Klass Pointer是Java对象指向类元数据的指针，jvm通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例

monitor：

每个Java对象从娘胎里出来就带着一把看不见的锁， 叫做内部锁或者monitor锁，我们可以把它理解成一种同步机制，它是线程私有的数据结构，

独占式同步状态过程

在AQS中维护着一个上面的FIFO的同步队列，当线程获取同步状态失败后，则会加入到这个CLH同步队列的对尾并一直保持着自旋。

在CLH同步队列中的线程在自旋时会判断其前驱节点是否为首节点，如果为首节点则不断尝试获取同步状态sate，获取成功则退出CLH同步队列。当线程执行完逻辑后，会释放同步状态sate，释放后会唤醒其后继节点。

tryAcquire方法尝试去获取锁，获取成功返回true，否则返回false。该方法由继承AQS的子类自己实现。采用了模板方法设计模式。

如：ReentrantLock的Sync内部类，Sync的子类：NonfairSync和

AQS定义两种资源共享方式

1、独占 ( Exclusive )：只有一个线程能执行，其原理是看哪个线程先把state +1 ，谁就抢到了锁，如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁：

公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁

非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的，所以非公平锁效率较高

2、共享 ( Share )：多个线程可同时执行，其原理就是多个线程去操作state字段，来一个线程就 +1，来一个线程就 +1

线程运行结束后state -1 ，一直减到0，就释放锁了。如Semaphore、CountDownLatch。

ThreadLocal

很多小伙伴认为ThreadLocal是多线程同步机制的一种，其实不然，他是为多线程环境下为变量线程安全提供的一种解决思路，他是解决多线程下成员变量的安全问题，不是解决多线程下共享变量的安全问题。

线程同步机制是多个线程共享一个变量，而ThreadLocal是每个线程创建一个自己的单独变量副本，所以每个线程都可以独立的改变自己的变量副本。并且不会影响其他线程的变量副本。

ThreadLocalMap

ThreadLocal内部有一个非常重要的内部类：ThreadLocalMap，该类才是真正实现线程隔离机制的关键，ThreadLocalMap内部结构类似于map，由键值对key和value组成一个Entry，key为ThreadLocal本身，value是对应的线程变量副本

注意：

1、ThreadLocal本身不存储值，他只是提供一个查找到值的key给你。

2、ThreadLocal包含在Thread中，不是Thread包含在ThreadLocal中。

ThreadLocalMap 和HashMap的功能类似，但是实现上却有很大的不同：

HashMap 的数据结构是数组+链表

ThreadLocalMap的数据结构仅仅是数组

HashMap 是通过链地址法解决hash 冲突的问题

ThreadLocalMap 是通过开放地址法来解决hash 冲突的问题

HashMap 里面的Entry 内部类的引用都是强引用

ThreadLocalMap里面的Entry 内部类中的key 是弱引用，value 是强引用

链地址法：

这种方法的基本思想是将所有哈希地址为i的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。

开放地址法：

这种方法的基本思想是一旦发生了冲突，就去寻找下一个空的散列地址(这非常重要，源码都是根据这个特性，必须理解这里才能往下走)，只要散列表足够大，空的散列地址总能找到，并将记录存入。

链地址法和开放地址法的优缺点：

开放地址法：

容易产生堆积问题，不适于大规模的数据存储。

散列函数的设计对冲突会有很大的影响，插入时可能会出现多次冲突的现象。

删除的元素是多个冲突元素中的一个，需要对后面的元素作处理，实现较复杂。

链地址法：

处理冲突简单，且无堆积现象，平均查找长度短。

链表中的结点是动态申请的，适合构造表不能确定长度的情况。

删除结点的操作易于实现。只要简单地删去链表上相应的结点即可。

指针需要额外的空间，故当结点规模较小时，开放定址法较为节省空间。

ThreadLocalMap 采用开放地址法原因

ThreadLocal 中看到一个属性 HASH_INCREMENT = 0x61c88647 ，0x61c88647 是一个神奇的数字，让哈希码能均匀的分布在2的N次方的数组里, 即 Entry[] table，关于这个神奇的数字google 有很多解析，这里就不重复说了

ThreadLocal 往往存放的数据量不会特别大（而且key 是弱引用又会被垃圾回收，及时让数据量更小），这个时候开放地址法简单的结构会显得更省空间，同时数组的查询效率也是非常高，加上第一点的保障，冲突概率也低

Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap之间的关系

从上面的结构图，我们已经窥见ThreadLocal的核心机制：

每个Thread线程内部都有一个Map。Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value）Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。所以对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，彼此之间互不干扰。

内存泄露问题：