## 34 只求問倒：連環相扣系列鎖面試題 ## 引導語 面試中，問鎖主要是兩方面：鎖的日常使用場景 + 鎖原理，鎖的日常使用場景主要考察對鎖 API 的使用熟練度，看看你是否真的使用過這些 API，而不是紙上談兵，鎖原理主要就是問 AQS 底層的源碼原理了，如果問得更加深入的話，可能會現場讓你實現一個簡單的鎖，簡單要求的會讓你直接使用 AQS API，復雜要求的可能需要重新實現 AQS。 接下來我們一起看一看關于鎖的常見源碼面試題。 ### 1 AQS 相關面試題 #### 1.1 說說自己對 AQS 的理解？ 答：回答這樣的問題的時候，面試官主要考察的是你對 AQS 的知識有沒有系統的整理，建議回答的方向是由大到小，由全到細，由使用到原理。 如果和面試官面對面的話，可以邊說邊畫出我們在 AQS 源碼解析上中畫出的整體架構圖，并且可以這么說： 1. AQS 是一個鎖框架，它定義了鎖的實現機制，并開放出擴展的地方，讓子類去實現，比如我們在 lock 的時候，AQS 開放出 state 字段，讓子類可以根據 state 字段來決定是否能夠獲得鎖，對于獲取不到鎖的線程 AQS 會自動進行管理，無需子類鎖關心，這就是 lock 時鎖的內部機制，封裝的很好，又暴露出子類鎖需要擴展的地方； 2. AQS 底層是由同步隊列 + 條件隊列聯手組成，同步隊列管理著獲取不到鎖的線程的排隊和釋放，條件隊列是在一定場景下，對同步隊列的補充，比如獲得鎖的線程從空隊列中拿數據，肯定是拿不到數據的，這時候條件隊列就會管理該線程，使該線程阻塞； 3. AQS 圍繞兩個隊列，提供了四大場景，分別是：獲得鎖、釋放鎖、條件隊列的阻塞，條件隊列的喚醒，分別對應著 AQS 架構圖中的四種顏色的線的走向。 以上三點都是 AQS 全局方面的描述，接著你可以問問面試官要不要說細一點，可以的話，按照 AQS 源碼解析上下兩篇，把四大場景都說一下就好了。 這樣說的好處是很多的： 1. 面試的主動權把握在自己手里，而且都是自己掌握的知識點； 2. 由全到細的把 AQS 全部說完，會給面試官一種你對 AQS 了如指掌的感覺，再加上全部說完耗時會很久，面試時間又很有限，面試官就不會再問關于 AQS 一些刁鉆的問題了，這樣 AQS 就可以輕松過關。 當然如果你對 AQS 了解的不是很深，那么就大概回答下 AQS 的大體架構就好了，就不要說的特別細，免得給自己挖坑。 #### 1.2 多個線程通過鎖請求共享資源，獲取不到鎖的線程怎么辦？ 答：加鎖(排它鎖)主要分為以下四步： 1. 嘗試獲得鎖，獲得鎖了直接返回，獲取不到鎖的走到 2； 2. 用 Node 封裝當前線程，追加到同步隊列的隊尾，追加到隊尾時，又有兩步，如 3 和 4； 3. 自旋 + CAS 保證前一個節點的狀態置為 signal； 4. 阻塞自己，使當前線程進入等待狀態。 獲取不到鎖的線程會進行 2、3、4 步，最終會陷入等待狀態，這個描述的是排它鎖。 #### 1.3 問題 1.2 中，排它鎖和共享鎖的處理機制是一樣的么？ 答：排它鎖和共享鎖在問題 1.2 中的 2、3、4 步驟都是一樣的， 不同的是在于第一步，線程獲得排它鎖的時候，僅僅把自己設置為同步隊列的頭節點即可，但如果是共享鎖的話，還會去喚醒自己的后續節點，一起來獲得該鎖。 #### 1.4 共享鎖和排它鎖的區別？ 答：排它鎖的意思是同一時刻，只能有一個線程可以獲得鎖，也只能有一個線程可以釋放鎖。 共享鎖可以允許多個線程獲得同一個鎖，并且可以設置獲取鎖的線程數量，共享鎖之所以能夠做到這些，是因為線程一旦獲得共享鎖，把自己設置成同步隊列的頭節點后，會自動的去釋放頭節點后等待獲取共享鎖的節點，讓這些等待節點也一起來獲得共享鎖，而排它鎖就不會這么干。 #### 1.5 排它鎖和共享鎖說的是加鎖時的策略，那么鎖釋放時有排它鎖和共享鎖的策略么？ 答：是的，排它鎖和共享鎖，主要體現在加鎖時，多個線程能否獲得同一個鎖。 但在鎖釋放時，是沒有排它鎖和共享鎖的概念和策略的，概念僅僅針對鎖獲取。 #### 1.6 描述下同步隊列？ 答：同步隊列底層的數據結構就是雙向的鏈表，節點叫做 Node，頭節點叫做 head，尾節點叫做 tail，節點和節點間的前后指向分別叫做 prev、next，如果是面對面面試的話，可以畫一下 AQS 整體架構圖中的同步隊列。 同步隊列的作用：阻塞獲取不到鎖的線程，并在適當時機釋放這些線程。 實現的大致過程：當多個線程都來請求鎖時，某一時刻有且只有一個線程能夠獲得鎖（排它鎖），那么剩余獲取不到鎖的線程，都會到同步隊列中去排隊并阻塞自己，當有線程主動釋放鎖時，就會從同步隊列中頭節點開始釋放一個排隊的線程，讓線程重新去競爭鎖。 #### 1.7 描述下線程入、出同步隊列的時機和過程？ 答：(排它鎖為例)從 AQS 整體架構圖中，可以看出同步隊列入隊和出隊都是有兩個箭頭指向，所以入隊和出隊的時機各有兩個。 同步隊列入隊時機： 1. 多個線程請求鎖，獲取不到鎖的線程需要到同步隊列中排隊阻塞； 2. 條件隊列中的節點被喚醒，會從條件隊列中轉移到同步隊列中來。 同步隊列出隊時機： 1. 鎖釋放時，頭節點出隊； 2. 獲得鎖的線程，進入條件隊列時，會釋放鎖，同步隊列頭節點開始競爭鎖。 四個時機的過程可以參考 AQS 源碼解析，1 參考 acquire 方法執行過程，2 參考 signal 方法，3 參考 release 方法，4 參考 await 方法。 #### 1.8 為什么 AQS 有了同步隊列之后，還需要條件隊列？ 答：的確，一般情況下，我們只需要有同步隊列就好了，但在上鎖后，需要操作隊列的場景下，一個同步隊列就搞不定了，需要條件隊列進行功能補充，比如當隊列滿時，執行 put 操作的線程會進入條件隊列等待，當隊列空時，執行 take 操作的線程也會進入條件隊列中等待，從一定程度上來看，條件隊列是對同步隊列的場景功能補充。 #### 1.9 描述一下條件隊列中的元素入隊和出隊的時機和過程？ 答：入隊時機：執行 await 方法時，當前線程會釋放鎖，并進入到條件隊列。 出隊時機：執行 signal、signalAll 方法時，節點會從條件隊列中轉移到同步隊列中。 具體的執行過程，可以參考源碼解析中 await 和 signal 方法。 #### 1.10 描述一下條件隊列中的節點轉移到同步隊列中去的時機和過程？ 答：時機：當有線程執行 signal、signalAll 方法時，從條件隊列的頭節點開始，轉移到同步隊列中去。 過程主要是以下幾步： 1. 找到條件隊列的頭節點，頭節點 next 屬性置為 null，從條件隊列中移除了； 2. 頭節點追加到同步隊列的隊尾； 3. 頭節點狀態（waitStatus）從 CONDITION 修改成 0（初始化狀態）； 4. 將節點的前一個節點狀態置為 SIGNAL。 #### 1.11 線程入條件隊列時，為什么需要釋放持有的鎖？ 答：原因很簡單，如果當前線程不釋放鎖，一旦跑去條件隊里中阻塞了，后續所有的線程都無法獲得鎖，正確的場景應該是：當前線程釋放鎖，到條件隊列中去阻塞后，其他線程仍然可以獲得當前鎖。 ### 2 AQS 子類鎖面試題 #### 2.1 你在工作中如何使用鎖的，寫一個看一看？ 答：這個照實說就好了，具體 demo 可以參考：demo.sixth.ConditionDemo。 #### 2.1 如果我要自定義鎖，大概的實現思路是什么樣子的？ 答：現在有很多類似的問題，比如讓你自定義隊列，自定義鎖等等，面試官其實并不是想讓我們重新造一個輪子，而是想考察一下我們對于隊列、鎖理解的深度，我們只需要選擇自己最熟悉的 API 描述一下就好了，所以這題我們可以選擇 ReentrantLock 來描述一下實現思路： 1. 新建內部類繼承 AQS，并實現 AQS 的 tryAcquire 和 tryRelease 兩個方法，在 tryAcquire 方法里面實現控制能否獲取鎖，比如當同步器狀態 state 是 0 時，即可獲得鎖，在 tryRelease 方法里面控制能否釋放鎖，比如將同步器狀態遞減到 0 時，即可釋放鎖； 2. 對外提供 lock、release 兩個方法，lock 表示獲得鎖的方法，底層調用 AQS 的 acquire 方法，release 表示釋放鎖的方法，底層調用 AQS 的 release 方法。 #### 2.2 描述 ReentrantLock 兩大特性：可重入性和公平性？底層分別如何實現的？ 答：可重入性說的是線程可以對共享資源重復加鎖，對應的，釋放時也可以重復釋放，對于 ReentrantLock 來說，在獲得鎖的時候，state 會加 1，重復獲得鎖時，不斷的對 state 進行遞增即可，比如目前 state 是 4，表示線程已經對共享資源加鎖了 4 次，線程每次釋放共享資源的鎖時，state 就會遞減 1，直到遞減到 0 時，才算真正釋放掉共享資源。 公平性和非公平指的是同步隊列中的線程得到鎖的機制，如果同步隊列中的線程按照阻塞的順序得到鎖，我們稱之為公平的，反之是非公平的，公平的底層實現是 ReentrantLock 的 tryAcquire 方法（調用的是 AQS 的 hasQueuedPredecessors 方法）里面實現的，要釋放同步隊列的節點時（或者獲得鎖時），判斷當前線程節點是不是同步隊列的頭節點的后一個節點，如果是就釋放，不是則不能釋放，通過這種機制，保證同步隊列中的線程得到鎖時，是按照從頭到尾的順序的。 #### 2.3 如果一個線程需要等待一組線程全部執行完之后再繼續執行，有什么好的辦法么？是如何實現的？ 答：CountDownLatch 就提供了這樣的機制，比如一組線程有 5 個，只需要在初始化 CountDownLatch 時，給同步器的 state 賦值為 5，主線程執行 CountDownLatch.await ，子線程都執行 CountDownLatch.countDown 即可。 #### 2.4 Atomic 原子操作類可以保證線程安全，如果操作的對象是自定義的類的話，要如何做呢？ 答： Java 為這種情況提供了一個 API：AtomicReference，AtomicReference 類可操作的對象是個泛型，所以支持自定義類。 ### 3 總結 關于 AQS 和鎖場景的面試題，其實網上也很多，各個大廠出的題目也都不一樣，但考察問題的本質都是一致的，如果把 AQS 架構圖中，AQS 的組成和四種顏色箭頭的發起時機，調用過程都弄清楚了，回答 AQS 的各種問題都會游刃有余。