## 34 只求问倒：连环相扣系列锁面试题 ## 引导语 面试中，问锁主要是两方面：锁的日常使用场景 + 锁原理，锁的日常使用场景主要考察对锁 API 的使用熟练度，看看你是否真的使用过这些 API，而不是纸上谈兵，锁原理主要就是问 AQS 底层的源码原理了，如果问得更加深入的话，可能会现场让你实现一个简单的锁，简单要求的会让你直接使用 AQS API，复杂要求的可能需要重新实现 AQS。 接下来我们一起看一看关于锁的常见源码面试题。 ### 1 AQS 相关面试题 #### 1.1 说说自己对 AQS 的理解？ 答：回答这样的问题的时候，面试官主要考察的是你对 AQS 的知识有没有系统的整理，建议回答的方向是由大到小，由全到细，由使用到原理。 如果和面试官面对面的话，可以边说边画出我们在 AQS 源码解析上中画出的整体架构图，并且可以这么说： 1. AQS 是一个锁框架，它定义了锁的实现机制，并开放出扩展的地方，让子类去实现，比如我们在 lock 的时候，AQS 开放出 state 字段，让子类可以根据 state 字段来决定是否能够获得锁，对于获取不到锁的线程 AQS 会自动进行管理，无需子类锁关心，这就是 lock 时锁的内部机制，封装的很好，又暴露出子类锁需要扩展的地方； 2. AQS 底层是由同步队列 + 条件队列联手组成，同步队列管理着获取不到锁的线程的排队和释放，条件队列是在一定场景下，对同步队列的补充，比如获得锁的线程从空队列中拿数据，肯定是拿不到数据的，这时候条件队列就会管理该线程，使该线程阻塞； 3. AQS 围绕两个队列，提供了四大场景，分别是：获得锁、释放锁、条件队列的阻塞，条件队列的唤醒，分别对应着 AQS 架构图中的四种颜色的线的走向。 以上三点都是 AQS 全局方面的描述，接着你可以问问面试官要不要说细一点，可以的话，按照 AQS 源码解析上下两篇，把四大场景都说一下就好了。 这样说的好处是很多的： 1. 面试的主动权把握在自己手里，而且都是自己掌握的知识点； 2. 由全到细的把 AQS 全部说完，会给面试官一种你对 AQS 了如指掌的感觉，再加上全部说完耗时会很久，面试时间又很有限，面试官就不会再问关于 AQS 一些刁钻的问题了，这样 AQS 就可以轻松过关。 当然如果你对 AQS 了解的不是很深，那么就大概回答下 AQS 的大体架构就好了，就不要说的特别细，免得给自己挖坑。 #### 1.2 多个线程通过锁请求共享资源，获取不到锁的线程怎么办？ 答：加锁(排它锁)主要分为以下四步： 1. 尝试获得锁，获得锁了直接返回，获取不到锁的走到 2； 2. 用 Node 封装当前线程，追加到同步队列的队尾，追加到队尾时，又有两步，如 3 和 4； 3. 自旋 + CAS 保证前一个节点的状态置为 signal； 4. 阻塞自己，使当前线程进入等待状态。 获取不到锁的线程会进行 2、3、4 步，最终会陷入等待状态，这个描述的是排它锁。 #### 1.3 问题 1.2 中，排它锁和共享锁的处理机制是一样的么？ 答：排它锁和共享锁在问题 1.2 中的 2、3、4 步骤都是一样的， 不同的是在于第一步，线程获得排它锁的时候，仅仅把自己设置为同步队列的头节点即可，但如果是共享锁的话，还会去唤醒自己的后续节点，一起来获得该锁。 #### 1.4 共享锁和排它锁的区别？ 答：排它锁的意思是同一时刻，只能有一个线程可以获得锁，也只能有一个线程可以释放锁。 共享锁可以允许多个线程获得同一个锁，并且可以设置获取锁的线程数量，共享锁之所以能够做到这些，是因为线程一旦获得共享锁，把自己设置成同步队列的头节点后，会自动的去释放头节点后等待获取共享锁的节点，让这些等待节点也一起来获得共享锁，而排它锁就不会这么干。 #### 1.5 排它锁和共享锁说的是加锁时的策略，那么锁释放时有排它锁和共享锁的策略么？ 答：是的，排它锁和共享锁，主要体现在加锁时，多个线程能否获得同一个锁。 但在锁释放时，是没有排它锁和共享锁的概念和策略的，概念仅仅针对锁获取。 #### 1.6 描述下同步队列？ 答：同步队列底层的数据结构就是双向的链表，节点叫做 Node，头节点叫做 head，尾节点叫做 tail，节点和节点间的前后指向分别叫做 prev、next，如果是面对面面试的话，可以画一下 AQS 整体架构图中的同步队列。 同步队列的作用：阻塞获取不到锁的线程，并在适当时机释放这些线程。 实现的大致过程：当多个线程都来请求锁时，某一时刻有且只有一个线程能够获得锁（排它锁），那么剩余获取不到锁的线程，都会到同步队列中去排队并阻塞自己，当有线程主动释放锁时，就会从同步队列中头节点开始释放一个排队的线程，让线程重新去竞争锁。 #### 1.7 描述下线程入、出同步队列的时机和过程？ 答：(排它锁为例)从 AQS 整体架构图中，可以看出同步队列入队和出队都是有两个箭头指向，所以入队和出队的时机各有两个。 同步队列入队时机： 1. 多个线程请求锁，获取不到锁的线程需要到同步队列中排队阻塞； 2. 条件队列中的节点被唤醒，会从条件队列中转移到同步队列中来。 同步队列出队时机： 1. 锁释放时，头节点出队； 2. 获得锁的线程，进入条件队列时，会释放锁，同步队列头节点开始竞争锁。 四个时机的过程可以参考 AQS 源码解析，1 参考 acquire 方法执行过程，2 参考 signal 方法，3 参考 release 方法，4 参考 await 方法。 #### 1.8 为什么 AQS 有了同步队列之后，还需要条件队列？ 答：的确，一般情况下，我们只需要有同步队列就好了，但在上锁后，需要操作队列的场景下，一个同步队列就搞不定了，需要条件队列进行功能补充，比如当队列满时，执行 put 操作的线程会进入条件队列等待，当队列空时，执行 take 操作的线程也会进入条件队列中等待，从一定程度上来看，条件队列是对同步队列的场景功能补充。 #### 1.9 描述一下条件队列中的元素入队和出队的时机和过程？ 答：入队时机：执行 await 方法时，当前线程会释放锁，并进入到条件队列。 出队时机：执行 signal、signalAll 方法时，节点会从条件队列中转移到同步队列中。 具体的执行过程，可以参考源码解析中 await 和 signal 方法。 #### 1.10 描述一下条件队列中的节点转移到同步队列中去的时机和过程？ 答：时机：当有线程执行 signal、signalAll 方法时，从条件队列的头节点开始，转移到同步队列中去。 过程主要是以下几步： 1. 找到条件队列的头节点，头节点 next 属性置为 null，从条件队列中移除了； 2. 头节点追加到同步队列的队尾； 3. 头节点状态（waitStatus）从 CONDITION 修改成 0（初始化状态）； 4. 将节点的前一个节点状态置为 SIGNAL。 #### 1.11 线程入条件队列时，为什么需要释放持有的锁？ 答：原因很简单，如果当前线程不释放锁，一旦跑去条件队里中阻塞了，后续所有的线程都无法获得锁，正确的场景应该是：当前线程释放锁，到条件队列中去阻塞后，其他线程仍然可以获得当前锁。 ### 2 AQS 子类锁面试题 #### 2.1 你在工作中如何使用锁的，写一个看一看？ 答：这个照实说就好了，具体 demo 可以参考：demo.sixth.ConditionDemo。 #### 2.1 如果我要自定义锁，大概的实现思路是什么样子的？ 答：现在有很多类似的问题，比如让你自定义队列，自定义锁等等，面试官其实并不是想让我们重新造一个轮子，而是想考察一下我们对于队列、锁理解的深度，我们只需要选择自己最熟悉的 API 描述一下就好了，所以这题我们可以选择 ReentrantLock 来描述一下实现思路： 1. 新建内部类继承 AQS，并实现 AQS 的 tryAcquire 和 tryRelease 两个方法，在 tryAcquire 方法里面实现控制能否获取锁，比如当同步器状态 state 是 0 时，即可获得锁，在 tryRelease 方法里面控制能否释放锁，比如将同步器状态递减到 0 时，即可释放锁； 2. 对外提供 lock、release 两个方法，lock 表示获得锁的方法，底层调用 AQS 的 acquire 方法，release 表示释放锁的方法，底层调用 AQS 的 release 方法。 #### 2.2 描述 ReentrantLock 两大特性：可重入性和公平性？底层分别如何实现的？ 答：可重入性说的是线程可以对共享资源重复加锁，对应的，释放时也可以重复释放，对于 ReentrantLock 来说，在获得锁的时候，state 会加 1，重复获得锁时，不断的对 state 进行递增即可，比如目前 state 是 4，表示线程已经对共享资源加锁了 4 次，线程每次释放共享资源的锁时，state 就会递减 1，直到递减到 0 时，才算真正释放掉共享资源。 公平性和非公平指的是同步队列中的线程得到锁的机制，如果同步队列中的线程按照阻塞的顺序得到锁，我们称之为公平的，反之是非公平的，公平的底层实现是 ReentrantLock 的 tryAcquire 方法（调用的是 AQS 的 hasQueuedPredecessors 方法）里面实现的，要释放同步队列的节点时（或者获得锁时），判断当前线程节点是不是同步队列的头节点的后一个节点，如果是就释放，不是则不能释放，通过这种机制，保证同步队列中的线程得到锁时，是按照从头到尾的顺序的。 #### 2.3 如果一个线程需要等待一组线程全部执行完之后再继续执行，有什么好的办法么？是如何实现的？ 答：CountDownLatch 就提供了这样的机制，比如一组线程有 5 个，只需要在初始化 CountDownLatch 时，给同步器的 state 赋值为 5，主线程执行 CountDownLatch.await ，子线程都执行 CountDownLatch.countDown 即可。 #### 2.4 Atomic 原子操作类可以保证线程安全，如果操作的对象是自定义的类的话，要如何做呢？ 答： Java 为这种情况提供了一个 API：AtomicReference，AtomicReference 类可操作的对象是个泛型，所以支持自定义类。 ### 3 总结 关于 AQS 和锁场景的面试题，其实网上也很多，各个大厂出的题目也都不一样，但考察问题的本质都是一致的，如果把 AQS 架构图中，AQS 的组成和四种颜色箭头的发起时机，调用过程都弄清楚了，回答 AQS 的各种问题都会游刃有余。