标题: 手撕红黑树卡壳时，面试官问及Lock-Free算法

tag: JVM调优, 高并发, 数据结构, Lock-Free, 红黑树

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场景设定

在一个终面的采访室中，面试官坐在桌子一侧，表情严肃，而应届生小明则坐在对面，手里攥着笔，额头微微冒汗。时间显示还剩15分钟，面试官突然提出了一个看似简单但极具挑战的问题。

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对话内容

面试官:

“小明，我们先来聊一个基础问题。请你手撕红黑树的实现细节，具体说说插入操作的步骤和旋转逻辑。假设我们有一棵红黑树，现在要插入一个新节点，你怎么保证它满足红黑树的性质？”

小明（紧张地咬了咬嘴唇，开始尝试回忆红黑树的性质）:

“额……红黑树嘛，它是一种自平衡的二叉搜索树，每个节点要么是红色，要么是黑色。插入时，新节点默认是红色的，然后我们需要检查一些性质，比如不能有两个连续的红色节点，根节点必须是黑色的，每个节点到叶子节点的黑色节点数量要一致……”

面试官（打断）:

“很好，你说到了关键点。那么具体到插入操作，当新节点插入后，如果破坏了红黑树的性质，你需要怎么调整？比如，如果父节点和爷爷节点都是红色，该怎么处理？”

小明（开始卡壳，额头冒汗）:

“嗯……这个……我大概记得是需要旋转，可能是左旋或者右旋，然后调整颜色，对吧？但具体怎么旋转，我现在脑子有点乱，不太清楚了。”

面试官（微笑，继续提问）:

“没关系，可以慢慢想。假设现在我们要求这个红黑树的操作必须是无锁的，也就是使用Lock-Free算法来实现插入和旋转。你如何用Lock-Free算法解决这个问题？请具体说说你的思路。”

小明（听到“Lock-Free”这个词，脑子更乱了，但还是试图表现得镇定）:

“啊，Lock-Free……我记得Lock-Free就是不用锁，那么……我们可以用CAS（Compare-and-Swap）来实现吧？每次插入新节点时，先用CAS尝试修改节点的引用，如果成功就继续，如果不成功就重试？对，应该就是这个思路！”

面试官（微微点头，进一步引导）:

“很好，CAS确实是实现Lock-Free算法的核心之一。那么，假设我们插入的节点需要调整颜色和旋转，你怎么保证整个过程是线程安全的，同时又不使用锁？”

小明（开始有点慌，但试图用幽默缓解紧张）:

“呃……我感觉这个问题有点像‘红黑树的舞会’，每个节点都在跳舞，既要保持红黑树的性质，又要避免踩到别人的脚。我觉得可以用CAS尝试旋转，如果旋转失败就重试，就像在舞池里找位置一样，总能找到合适的节奏吧？”

面试官（忍不住笑了）:

“有趣！确实有点像舞会。那你具体怎么用CAS来保证插入和旋转的原子性呢？你能举个简单的例子吗？”

小明（深呼吸，试图理清思路）:

“嗯……假设我现在要插入一个新节点，我先用CAS尝试把新节点挂到父节点上。如果成功了，就检查红黑树的性质，比如父节点和爷爷节点的颜色。如果发现问题，我就用CAS尝试调整颜色或者旋转节点。每次调整都用CAS，失败就重试，直到成功为止。”

面试官（认真思考后，笑了笑）:

“你的思路大致是对的。但请注意，Lock-Free算法在并发场景下可能会遇到ABA问题，你知道怎么解决吗？”

小明（瞬间愣住，但迅速反应过来）:

“啊，ABA问题……我记得是用版本号来解决的！我们可以给每个节点加一个版本号，每次CAS操作时不仅要检查节点的值，还要检查版本号。这样即使节点的值被改回来，版本号也会不一样，就能避免ABA问题了！”

面试官（满意地点点头）:

“非常好！你不仅掌握了红黑树的基本性质，还能结合Lock-Free算法的特性，提出合理的解决方案。看来你对并发编程和数据结构都有一定的理解。”

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技术解析

红黑树插入与旋转

红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，其性质包括：

1. 每个节点要么是红色，要么是黑色。
2. 根节点必须是黑色。
3. 从任一节点到其子树中所有叶子节点的路径，都包含相同数量的黑色节点。
4. 不能有两个连续的红色节点。

插入新节点时，如果破坏了红黑树的性质，需要通过旋转（左旋或右旋）和颜色调整来恢复平衡。具体步骤如下：

• 如果新节点的父节点和爷爷节点都是红色，且新节点是左子节点的右子节点或右子节点的左子节点，先进行一次旋转，将新节点调整为左子节点的左子节点或右子节点的右子节点。
• 然后进行颜色调整，将父节点染黑，爷爷节点染红，继续向上检查是否满足红黑树的性质。

Lock-Free算法

Lock-Free算法的核心是通过无锁机制实现并发操作，通常使用**CAS（Compare-and-Swap）**操作来保证原子性。CAS的基本思想是：

• 读取当前值，检查是否满足条件，如果满足则尝试修改。
• 如果修改失败（因为其他线程修改了值），则重试，直到成功。

在实现红黑树的Lock-Free插入时，可以使用CAS尝试修改节点的引用或颜色。同时，为了避免ABA问题，可以为每个节点添加一个版本号，CAS操作时不仅要检查节点的值，还要检查版本号，确保操作的正确性。

ABA问题解决

ABA问题是指一个线程在读取一个值时，发现它是A，然后进行某些操作，但在这期间，另一个线程将A修改为B，然后再改回A。此时，第一个线程误以为值没有变化，但实际上已经发生了变化。解决ABA问题的方法是：

• 为每个节点添加一个版本号或时间戳，每次CAS操作时不仅要检查节点的值，还要检查版本号。
• 如果版本号不同，说明节点的状态已经发生变化，需要重新尝试操作。

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总结

这场面试中，小明虽然在红黑树的实现细节上有些卡壳，但通过幽默的方式缓解了紧张情绪，并在面试官的引导下逐步理清了思路。他对Lock-Free算法的理解较为准确，能够在并发场景下提出合理的解决方案，显示了较强的思维能力和学习潜力。面试官对他的表现表示满意，最终面试圆满结束。

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标签: JVM调优, 高并发, 数据结构, Lock-Free, 红黑树