操作系统-死锁，锁

 一：死锁

1.定义

所谓死锁，是指两个或者以上线程并行执行的时候，争夺资源而互相等待造成的。当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。

2.死锁产生的四个必要条件？

死锁只有同时满足以下四个条件才会发生：

• 互斥：多个线程不能同时使用同一个资源。
• 请求和保持：当线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
• 不可剥夺：线程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
• 环路等待：在死锁发生的时候，两个线程获取资源的顺序构成了环形链。

3.解决死锁的基本方法

避免死锁问题，就是要破坏其中一个条件即可，最常用的方法就是使用资源有序分配法来破坏环路等待条件。

• 资源一次性分配，一次性分配所有资源，这样就不会再有请求了；（破坏请求条件）
• 只要有一个资源得不到分配，也不给这个进程分配其他的资源；（破坏请保持条件）
• 可剥夺资源，即当某进程获得了部分资源，但得不到其它资源，则释放已占有的资源（破坏不可剥夺条件）
• 资源有序分配法，系统给每类资源赋予一个编号，每一个进程按编号递增的顺序请求资源，释放则相反（破坏环路等待条件）

二：常见锁策略

多线程访问共享资源的时候，避免不了资源竞争而导致数据错乱的问题，所以我们通常为了解决这一问题，都会在访问共享资源之前加锁。加锁的目的就是保证共享资源在任意时间里，只有一个线程访问，这样就可以避免多线程导致共享数据错乱的问题。

 1) 你是怎么理解乐观锁和悲观锁的，具体怎么实现呢？

悲观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率较大, 会在每次访问共享变量之前都去真正加 锁.。乐观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率不大. 并不会真的加锁, 而是直接尝试访问数据. 在访问的同时识别当前的数据是否出现访问冲突。

悲观锁的实现就是先加锁(比如借助操作系统提供的 mutex), 获取到锁再操作数据. 获取不到锁就 等待. 乐观锁的实现可以引入一个版本号. 借助版本号识别出当前的数据访问是否冲突. 

Synchronized 初始使用乐观锁策略. 当发现锁竞争比较频繁的时候, 就会自动切换成悲观锁策略. 就好比同学 C 开始认为 "老师比较闲的", 问问题都会直接去找老师. 但是直接来找两次老师之后, 发现老师都挺忙的, 于是下次再来问问题, 就先发个消息问问老师忙不 忙, 再决定是否来问问题.

2) 介绍下读写锁?

读写锁就是把读操作和写操作分别进行加锁. 读锁和读锁之间不互斥. 写锁和写锁之间互斥. 写锁和读锁之间互斥. 读写锁最主要用在 "频繁读, 不频繁写" 的场景中.Synchronized 不是读写锁.

3) 什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略呢，缺点是什么？

相比于挂起等待锁, 优点: 没有放弃 CPU 资源, 一旦锁被释放就能第一时间获取到锁, 更高效. 在锁持有时间比较短的场 景下非常有用. 缺点: 如果锁的持有时间较长, 就会浪费 CPU 资源.

• 互斥锁加锁失败后，线程会释放 CPU ，给其他线程；
• 自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到它拿到锁；如果获取锁失败, 立即再尝试获取锁, 无限循环, 直到获取到锁为止. 第一次获取锁失败, 第二次的尝试会 在极短的时间内到来. 一旦锁被其他线程释放, 就能第一时间获取到锁.

如果你能确定被锁住的代码执行时间很短，就不应该用互斥锁，而应该选用自旋锁，否则使用互斥锁。

互斥锁加锁失败时，会从用户态陷入到内核态，让内核帮我们切换线程，虽然简化了使用锁的难度，但是存在一定的性能开销成本。自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。

4) synchronized 是可重入锁么？

是可重入锁. 可重入锁指的就是连续两次加锁不会导致死锁,允许同一个线程多次获取同一把锁。 实现的方式是在锁中记录该锁持有的线程身份, 以及一个计数器(记录加锁次数). 如果发现当前加锁 的线程就是持有锁的线程, 则直接计数自增.

Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括 synchronized关键字锁都是可重入的。 而 Linux 系统提供的 mutex 是不可重入锁.

5) 讲解下你自己理解的 CAS 机制

全称 Compare and swap, 即 "比较并交换". 相当于通过一个原子的操作, 同时完成 "读取内存, 比 较是否相等, 修改内存" 这三个步骤. 本质上需要 CPU 指令的支撑.

2）ABA问题怎么解决？

ABA问题(好比, 我们买一个手机, 无法判定这个手机是刚出厂的新手机, 还是别人用旧了, 又翻新过的手 机.)给要修改的数据引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期. 如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致, 就真正执行修改操作, 并让版本号自增; 如果发现当 前版本号比之前读到的版本号大, 就认为操作失败

三：synchronized

1.什么是synchronized关键字？

在多线程的环境下，多个线程同时访问共享资源会出现一些问题，而synchronized关键字则是用来保证线程同步的。

synchronized关键字的使用方式主要有三种：

修饰普通同步方法、修饰静态同步方法、修饰同步方法块。

2.synchronized关键字三大特性是什么？

面试时经常拿 synchronized关键字和 volatile关键字的特性进行对比， synchronized关键字可以保证并发编程的三大特性：原子性、可见性、有序性，而 volatile关键字只能保证可见性和有序性，不能保证原子性，也称为是轻量级的 synchronized。

• 原子性：一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。synchronized关键字可以保证只有一个线程拿到锁，访问共享资源。
• 可见性：当一个线程对共享变量进行修改后，其他线程可以立刻看到。执行synchronized时，会对应执行 lock、unlock原子操作，保证可见性。
• 有序性：程序的执行顺序会按照代码的先后顺序执行。

3.synchronized关键字可以实现什么类型的锁？

• 悲观锁：synchronized关键字实现的是悲观锁，每次访问共享资源时都会上锁。
• 非公平锁：synchronized关键字实现的是非公平锁，即线程获取锁的顺序并不一定是按照线程阻塞的顺序。
• 可重入锁：synchronized关键字实现的是可重入锁，即已经获取锁的线程可以再次获取锁。
• 独占锁或者排他锁：synchronized关键字实现的是独占锁，即该锁只能被一个线程所持有，其他线程均被阻塞。

4.synchronized和volatile的区别？

• volatile主要是保证内存的可见性，即变量在寄存器中的内存是不确定的，需要从主存中读取。synchronized主要是解决多个线程访问资源的同步性。
• volatile作用于变量，synchronized作用于代码块或者方法。
• volatile仅可以保证数据的可见性，不能保证数据的原子性。synchronized可以保证数据的可见性和原子性。
• volatile不会造成线程的阻塞，synchronized会造成线程的阻塞。