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程序计数器（Program Counter Register）：
1.java中的锁机制 什么是可重入锁
在Java中，锁机制是用于控制对共享资源的访问，以确保线程安全的关键工具。Java提供了多种锁机制，其中可重入锁（Reentrant Lock）是一种重要的实现。
锁机制
-
同步方法和同步块：
- Java使用
synchronized关键字来实现简单的锁机制。可以将其应用于方法或代码块，以限制对共享资源的访问。 - 当一个线程访问被
synchronized修饰的方法或代码块时，其他线程必须等待该线程释放锁。
- Java使用
-
Lock接口：
- Java提供了
java.util.concurrent.locks包，其中的Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁机制。 Lock接口的实现类如ReentrantLock提供了额外的功能，比如尝试获得锁、定时锁等。
- Java提供了
可重入锁（Reentrant Lock）
可重入锁是一种特殊类型的锁，允许同一个线程多次获得同一个锁而不会导致死锁。换句话说，如果一个线程已经持有了锁，它可以再次请求该锁而不会被阻塞。
特点：
-
重入性：
- 同一个线程可以多次获得同一个可重入锁，每次获得锁时，锁的计数器会增加；每次释放锁时，计数器会减少。当计数器为零时，锁才真正被释放。
-
公平性：
- 可重入锁可以选择公平性策略。在公平模式下，线程会按照请求锁的顺序获得锁；而在非公平模式下，线程可以打断等待队列，可能导致某些线程长时间无法获得锁。
-
锁的管理：
- 使用可重入锁时，开发者需要手动管理锁的获取和释放，这提供了更大的灵活性。
示例代码：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockExample {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void methodA() {
lock.lock(); // 获取锁
try {
System.out.println("In method A");
methodB(); // 可以在同一线程中再次调用
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
}
public void methodB() {
lock.lock(); // 再次获取锁
try {
System.out.println("In method B");
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
}
public static void main(String[] args) {
ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();
example.methodA();
}
}
在上面的示例中，methodA获取了锁并调用methodB。由于ReentrantLock是可重入的，methodB可以再次获得同一个锁，而不会导致死锁。
总结
可重入锁是Java中非常有用的一个特性，能够帮助开发者更好地管理并发操作，避免死锁，并且在需要时提供灵活的锁控制。通过合理使用可重入锁，可以提高程序的并发性能和稳定性。
2.可重入锁的使用场景
重入锁（Reentrant Lock）在多线程编程中有许多实际应用场景。以下是一些具体应用场景及其示例：
1. 递归调用
可重入锁特别适合于需要递归调用的方法。在一个方法中如果需要调用自身或其他方法时，可以再次获取锁，而不会导致死锁。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class RecursiveLockExample {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private int counter = 0;
public void increment() {
lock.lock();
try {
counter++;
System.out.println("Counter: " + counter);
if (counter < 5) { // 控制递归次数
increment(); // 递归调用
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
RecursiveLockExample example = new RecursiveLockExample();
example.increment();
}
}
在这个例子中，increment方法递归调用自身，ReentrantLock允许同一线程多次获取锁。
2. 多线程资源共享
当多个线程需要访问共享资源（如一个计数器、集合等）时，使用可重入锁可以确保在访问这些资源时不会出现竞争条件。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SharedResource {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private int count = 0;
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
System.out.println("Count: " + count);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
lock.lock();
try {
return count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SharedResource resource = new SharedResource();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
resource.increment();
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
resource.increment();
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("Final Count: " + resource.getCount());
}
}
在这个例子中，两个线程同时访问SharedResource中的计数器，使用ReentrantLock确保线程安全。
3. 复杂对象的状态管理
在一些复杂对象的状态管理中，可能需要在多个方法中对同一状态进行操作。可重入锁可以避免在同一线程内反复请求锁的复杂性。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ComplexObject {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private String state = "";
public void updateState(String newState) {
lock.lock();
try {
state = newState;
processState(); // 可以在同一线程内调用其他方法
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void processState() {
// 处理状态
System.out.println("Processing state: " + state);
}
public static void main(String[] args) {
ComplexObject obj = new ComplexObject();
obj.updateState("Updated State");
}
}
在这个例子中，updateState方法安全地更新对象的状态并调用另一个方法进行处理，避免了在同一线程内的死锁问题。
4. 保证顺序执行
在一些情况下，可能需要保证某些方法的执行顺序，比如在初始化过程中。可重入锁可以帮助确保在初始化完成之前不会有其他线程执行。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SequentialExecution {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private boolean initialized = false;
public void initialize() {
lock.lock();
try {
if (!initialized) {
// 执行初始化逻辑
System.out.println("Initializing...");
initialized = true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void performTask() {
lock.lock();
try {
if (!initialized) {
initialize(); // 确保初始化完成
}
System.out.println("Performing task...");
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
SequentialExecution seqExec = new SequentialExecution();
seqExec.performTask(); // 第一次调用时会初始化
seqExec.performTask(); // 第二次调用时直接执行任务
}
}
在这个例子中，performTask方法在执行前会检查是否已经初始化，确保不会在多个线程中重复初始化。
总结
可重入锁在Java多线程编程中提供了灵活性和安全性，尤其在处理递归调用、共享资源、复杂对象状态和任务顺序时非常有效。合理使用可重入锁能够提高程序的稳定性和性能。
3.讲一下AQS
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java中的一个重要同步框架，它提供了一种基于队列的同步器基础类。AQS被设计用于实现锁和其他同步器（例如信号量、读写锁等），在Java并发包java.util.concurrent中被广泛使用。
AQS的基本概念
-
队列结构：AQS内部使用一个FIFO队列来管理等待获取锁的线程。每个线程在尝试获取锁时，如果获取失败，就会被加入到这个队列中。
-
状态管理：AQS通过一个整数值来表示同步状态（即锁的状态）。这个值可以被修改（例如，获取锁时状态加1，释放锁时状态减1）。
-
重入机制：AQS支持可重入的锁机制，允许同一线程多次获取锁而不会发生死锁。
-
模板方法模式：AQS使用模板方法模式来实现同步器的具体行为。开发者可以通过继承AQS并实现其中的抽象方法来定义具体的锁或其他同步器。
AQS的主要方法
AQS提供了一些重要的方法和机制，以下是一些关键点：
-
tryAcquire(int arg)：尝试获取锁的操作。开发者需要实现这个方法，以定义如何获取锁。 -
tryRelease(int arg)：尝试释放锁的操作。开发者需要实现这个方法，以定义如何释放锁。 -
acquire(int arg)：获取锁的过程，它会调用tryAcquire，如果获取失败，则将当前线程加入到等待队列中。 -
release(int arg)：释放锁的过程，它会调用tryRelease，如果释放成功，会唤醒等待队列中的其他线程。 -
getState()和setState(int newState)：获取和设置当前的状态。
AQS的实现示例
以下是一个简单的基于AQS的独占锁实现的示例：
import java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer;
public class MyLock {
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// 只允许一个线程获得锁
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
if (getState() == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
}
private final Sync sync = new Sync();
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
}
使用AQS的场景
AQS被用于实现多种并发工具，包括：
- 独占锁（ReentrantLock）
- 共享锁（Semaphore）
- 读写锁（ReentrantReadWriteLock）
- CountDownLatch
- CyclicBarrier
AQS的优势
-
性能：AQS使用了高效的队列和状态管理机制，能够处理大量线程的竞争。
-
灵活性：开发者可以根据需求扩展AQS，实现自定义的同步器。
-
支持多种同步策略：AQS可以实现独占锁和共享锁，适用于多种不同的场景。
总结
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java中一个强大而灵活的同步工具，它通过队列和状态管理为开发者提供了实现复杂同步器的基础。理解AQS的工作原理有助于更好地利用Java的并发特性，实现高效、安全的多线程程序。
4.redis的相关数据结构
-
字符串（String）
- 简单动态字符串（SDS）: Redis 使用 SDS 作为字符串的底层实现，具备可变长度、自动内存管理等特点。
- 字符串对象: 包含 SDS 字符串和额外的元数据（如编码方式、长度等）。
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哈希（Hash）
- Ziplist: 适用于存储小哈希表，内存占用更少。
- 哈希表（dict）: 用于存储较大的哈希表，使用更复杂的哈希算法，提供更好的查找性能。
-
列表（List）
- 压缩列表（Ziplist）: 用于存储少量元素的列表，节省内存。
- 链表（linked list）: 当列表元素数量增加到一定程度后，Redis 会切换到链表结构，以支持高效的插入和删除操作。
-
集合（Set）
- 压缩列表（Ziplist）: 用于存储少量元素的集合。
- 哈希表（dict）: 当集合元素增多时，使用哈希表来提供快速的查找和操作性能。
-
有序集合（Sorted Set）
- 压缩列表（Ziplist）: 用于存储少量元素的有序集合。
- 跳表（Skip List）: 当元素数量较大时，使用跳表结构，以支持快速的范围查询和插入操作。
5.为什么每种数据类型一般都有两种数据结构
-
空间和时间的权衡
-
数据量小的时候使用更加紧凑的数据结构,节省内存
-
数据量大的时候转换为普通数据结构,提高操作效率
以Hash为例:
- 当field-value长度较短且个数较少时,使用压缩列表
- 当数据量增大时,转换为哈希表
这种设计能够在内存使用和性能之间取得很好的平衡。
6.讲一下JVM相关内存结构
JVM（Java虚拟机）的内存结构是Java程序运行时的关键部分，主要分为以下几个区域：
-
方法区（Method Area）：
- 存放类的结构信息，比如字段和方法的数据，以及常量池、静态变量等。
- 在HotSpot JVM中，方法区通常与永久代（PermGen）有关，但在Java 8及以后，永久代被元空间（Metaspace）替代。
-
堆（Heap）：
- 用于存放对象实例，是JVM中最大的一块内存区域。
- 堆是垃圾回收（GC）管理的主要区域，分为年轻代和老年代：
- 年轻代（Young Generation）：大部分新生对象分配在这里，包含三个部分： Eden区和两个Survivor区（S0和S1）。大多数对象在年轻代中存活时间较短。
- 老年代（Old Generation）：存放长期存活的对象，经过多次垃圾回收后，仍然存活的对象会被转移到老年代。
-
栈（Stack）：
- 每个线程都有自己的栈，存放局部变量、方法调用和返回地址等信息。
- 栈是线程私有的，存储方法的调用信息，采用先进后出（LIFO）的结构。
-
程序计数器（Program Counter Register）：
- 每个线程都有一个独立的程序计数器，用于存放当前线程执行的字节码的地址。
- 程序计数器是线程私有的，当线程切换时，可以通过计数器记录每个线程的执行位置。
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本地方法栈（Native Method Stack）：
- 用于支持JVM调用本地方法（Native Methods），与Java栈类似，但主要用于调用非Java代码。
7.HashMap的底层原理
HashMap 是 Java 中一种常用的集合类，它基于哈希表实现，具有高效的插入、删除和查找操作。下面是 HashMap 的底层原理：
1. 数据结构
HashMap 的底层主要使用数组和链表（或红黑树）组合的方式来存储数据。
- 数组：HashMap 使用一个数组来存储桶（bucket），每个桶可以存储多个键值对。
- 链表：在每个桶中，如果发生哈希冲突（即不同的键经过哈希函数计算后得到了相同的数组索引），HashMap 会使用链表来存储这些冲突的元素。
- 红黑树：当某个桶中的链表长度超过一定阈值（默认为 8），HashMap 会将链表转换为红黑树，以提高查找效率。
2. 哈希函数
HashMap 通过哈希函数将键映射到数组的索引上。哈希函数会对键调用 hashCode() 方法，生成一个哈希值。为了确保数组索引的有效性，HashMap 会对哈希值进行扰动处理，避免哈希碰撞和分布不均。
3. 添加元素
- 当添加一个键值对时，首先计算该键的哈希值，并通过哈希函数找到应该存放该元素的数组索引。
- 如果该索引处没有元素，则直接插入。
- 如果该索引处已有元素（发生冲突），则会检查该元素的键是否与新插入的键相等。如果相等，更新值；如果不相等，将新元素添加到链表的末尾。
4. 获取元素
- 通过键计算哈希值，找到对应的数组索引。
- 如果该索引没有元素，返回 null。
- 如果有元素，遍历链表（或红黑树），寻找与指定键匹配的元素，找到后返回对应的值。
5. 扩容
HashMap 默认的初始容量是 16，当元素个数超过负载因子（默认为 0.75，即 75%）时，会触发扩容操作。扩容的过程会将数组的大小翻倍，并重新计算所有键的索引位置，这样可以降低哈希冲突的概率。
6. 线程安全
HashMap 不是线程安全的。如果多个线程并发访问一个 HashMap，并且至少有一个线程对结构进行修改（例如添加或删除元素），则必须通过外部同步机制（例如使用 Collections.synchronizedMap 或 ConcurrentHashMap）来保证线程安全。
总结
HashMap 通过使用数组和链表（或红黑树）结合的方式，实现了高效的键值对存储和查找功能。了解其底层原理可以帮助更好地使用 HashMap，同时也能为性能优化提供思路。