Java面试题：Synchronized的常见考点

Java面试题：Synchronized的常见考点

synchronized 关键字是 Java 并发编程中最重要的同步机制之一，也是面试中的高频考点。理解其原理和用法对于掌握 Java 并发编程至关重要。本文将深入探讨 synchronized 的常见考点，涵盖其底层原理、用法、锁优化以及与其他并发工具的比较等方面。

一、synchronized 的底层原理

synchronized 的底层实现依赖于 Java 对象头中的 Mark Word 和 Monitor。

• Mark Word: 对象头的一部分，存储对象的哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等信息。在轻量级锁和偏向锁状态下，Mark Word 存储指向锁记录的指针。
• Monitor: 每个 Java 对象都关联一个 Monitor 对象，也称为管程或监视器。Monitor 由 C++ 代码实现，内部维护一个计数器和等待队列。当线程获取锁时，计数器加 1；释放锁时，计数器减 1。当计数器为 0 时，锁被释放。等待队列用于存放等待获取锁的线程。

synchronized 的锁升级过程：

1. 偏向锁: 当一个线程第一次获取锁时，会尝试设置 Mark Word 中的偏向线程 ID。如果设置成功，则该线程持有偏向锁，下次获取锁时无需进行 CAS 操作。偏向锁是为了优化单线程访问的情况，减少不必要的锁竞争开销。

2. 轻量级锁: 当另一个线程尝试获取锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用 CAS 操作尝试获取锁，如果成功，则线程持有轻量级锁。轻量级锁适用于锁竞争不激烈的情况，避免了重量级锁带来的系统调用开销。

3. 重量级锁: 当多个线程竞争锁时，轻量级锁会膨胀为重量级锁。重量级锁依赖于操作系统的互斥量实现，需要进行系统调用，开销较大。

二、synchronized 的用法

synchronized 关键字可以用来修饰方法或代码块。

• 修饰方法: synchronized 修饰方法时，锁对象是当前实例对象。

java
public synchronized void method() {
// 同步代码块
}

• 修饰静态方法: synchronized 修饰静态方法时，锁对象是当前类的 Class 对象。

java
public synchronized static void staticMethod() {
// 同步代码块
}

• 修饰代码块: synchronized(object) 指定锁对象。

java
public void method() {
Object lock = new Object();
synchronized(lock) {
// 同步代码块
}
}

三、synchronized 的锁优化

为了提高 synchronized 的性能，JVM 对其进行了一系列优化，包括：

• 自旋锁: 当线程尝试获取锁失败时，不会立即阻塞，而是会进行几次自旋操作，尝试再次获取锁。自旋锁可以避免线程上下文切换的开销，适用于锁竞争时间较短的情况。

• 锁消除: 编译器会分析代码，如果确定锁对象不可能被其他线程访问，则会消除锁操作。

• 锁粗化: 如果一系列连续的锁操作都是针对同一个对象，编译器会将这些锁操作合并成一个更大的锁操作，减少锁获取和释放的次数。

• 逃逸分析: 如果一个对象只在方法内部使用，并且没有逃逸出方法的作用域，编译器会将其分配在栈上，而不是堆上。这样可以避免堆内存分配和垃圾回收的开销，并且可以进行锁消除优化。

四、synchronized 与其他并发工具的比较

• synchronized vs ReentrantLock:

  • synchronized 是 Java 关键字，ReentrantLock 是 Java 类。
  • synchronized 是隐式锁，ReentrantLock 是显式锁，需要手动获取和释放锁。
  • ReentrantLock 提供了更丰富的功能，例如公平锁、可中断锁、条件变量等。
  • 在 Java 5 之后，synchronized 的性能已经得到了很大的提升，与 ReentrantLock 的性能差距不大。

• synchronized vs volatile:

  • synchronized 保证原子性、可见性和有序性，volatile 只保证可见性和有序性。
  • synchronized 用于同步代码块，volatile 用于修饰变量。
  • volatile 比 synchronized 更轻量级，但不能用于解决原子性问题。

• synchronized vs Atomic 类:

  • Atomic 类提供了一系列原子操作，例如 AtomicInteger、AtomicLong 等。
  • Atomic 类使用 CAS 操作实现原子性，性能比 synchronized 更高。
  • Atomic 类适用于简单的原子操作，synchronized 适用于复杂的同步场景。

五、synchronized 的常见面试题

1. synchronized 的底层实现原理是什么？

2. synchronized 的锁升级过程是怎样的？

3. synchronized 和 ReentrantLock 的区别是什么？

4. synchronized 和 volatile 的区别是什么？

5. 如何避免死锁？

6. synchronized 的性能优化有哪些？

7. synchronized 可重入吗？为什么？ (是的，因为 Monitor 记录了持有锁的线程以及重入次数)

8. synchronized 修饰静态方法和非静态方法的区别是什么？

9. 如何选择合适的锁机制？

10. 你在项目中如何使用 synchronized?

六、总结

synchronized 是 Java 并发编程中重要的同步机制，理解其原理和用法对于编写高质量的并发程序至关重要。本文详细介绍了 synchronized 的底层原理、用法、锁优化以及与其他并发工具的比较，希望能帮助读者更好地掌握 synchronized 的相关知识点，在面试中游刃有余。 在实际应用中，需要根据具体的场景选择合适的锁机制，并注意避免死锁等并发问题。 深入理解 Java 内存模型 (JMM) 和并发编程的最佳实践，才能写出高效、稳定的并发程序。