Java高频面试之并发编程-18

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天又来报道了！哈哈哈哈哈嗝🐶

面试官：详细说说synchronized

synchronized 是 Java 中实现线程同步的核心关键字，用于解决多线程环境下的资源竞争问题，确保线程安全。

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1. 基本作用

synchronized 通过 互斥锁（Mutex Lock） 机制，保证同一时刻只有一个线程能访问被保护的代码块或方法，避免多个线程同时操作共享资源导致的数据不一致问题。

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2. 使用方式

synchronized 可以修饰以下三种对象：

(1) 实例方法

• 锁对象 ：当前实例对象（this）。

• 作用 ：同一实例的多个线程会互斥访问该方法。

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

(2) 静态方法

• 锁对象 ：类的 Class 对象（MyClass.class）。

• 作用 ：所有实例的线程都会互斥访问该静态方法。

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

(3) 代码块

• 锁对象：显式指定任意对象（通常是共享资源）。

• 作用 ：更细粒度地控制同步范围。

  public void blockMethod() {
      synchronized (lockObject) {  // lockObject 可以是任意对象
          // 同步代码
      }
  }

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3. 核心特性

(1) 可重入性（Reentrant）

• 同一个线程可以重复获取同一个锁。
• 示例：线程获取锁后，在同步代码中调用另一个同步方法（使用同一锁）不会阻塞。

(2) 锁的释放

• 线程执行完同步代码块或方法后，自动释放锁。
• 若线程发生异常退出同步代码块，锁也会自动释放。

(3) 锁的竞争

• 未获取锁的线程会进入 阻塞状态（BLOCKED），直到锁被释放。

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4. 底层原理

synchronized 的底层实现依赖于 JVM 的 Monitor（监视器锁） 机制，具体通过以下步骤实现：

(1) Monitor 对象

• 每个 Java 对象都与一个 Monitor 关联，Monitor 包含以下关键字段：
  • _owner：记录当前持有锁的线程。
  • _EntryList：等待获取锁的阻塞线程队列。
  • _WaitSet：调用 wait() 后进入等待状态的线程队列。

(2) 字节码层面

• 同步代码块通过 monitorenter 和 monitorexit 指令实现：

  public void method() {
      synchronized (obj) {
          // 代码
      }
  }

  对应的字节码：

  monitorenter   // 尝试获取锁
  ...             // 同步代码
  monitorexit    // 释放锁

(3) 锁升级优化（JDK 1.6+）

为了提高性能，JVM 对 synchronized 进行了优化，引入了 锁升级机制：

1. 无锁（No Lock）：初始状态。
2. 偏向锁（Biased Lock）：锁偏向第一个获取它的线程，避免后续 CAS 操作。
3. 轻量级锁（Lightweight Lock）：通过 CAS 自旋尝试获取锁，避免线程阻塞。
4. 重量级锁（Heavyweight Lock）：竞争激烈时，升级为操作系统级别的互斥锁（Mutex）。

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5. 典型应用场景

(1) 线程安全的单例模式

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

(2) 保护共享资源

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

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6. 与 ReentrantLock 的对比

特性	synchronized	ReentrantLock
锁类型	JVM 内置锁	JDK 实现的显式锁
灵活性	不支持中断、超时、公平锁	支持中断、超时、公平锁
代码控制	自动释放锁	需手动 lock() 和 unlock()
性能	JDK 1.6 后优化，性能接近显式锁	高竞争场景下性能更好
适用场景	简单同步需求	复杂同步逻辑（如条件变量 Condition）

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7. 注意事项

1. 锁对象的选择：

   • 避免使用字符串常量或基本类型（如 Integer）作为锁对象。
   • 推荐使用私有、不可变的对象：private final Object lock = new Object();

2. 减少同步范围：

   • 尽量缩小同步代码块，避免在同步块内执行耗时操作（如 I/O）。

3. 死锁风险：

   • 避免嵌套锁或多锁顺序不一致导致的死锁。
   • 示例：线程 A 先锁 X 再锁 Y，线程 B 先锁 Y 再锁 X → 可能死锁。

4. 锁粗化与锁消除：

   • 锁粗化：JVM 将多个连续锁合并为一个锁，减少开销。
   • 锁消除：JVM 检测到不可能存在共享竞争时，自动去除锁（如局部变量）。

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8. 常见问题

Q1：synchronized 和 volatile 的区别？

• synchronized：保证原子性、可见性和有序性。
• volatile：仅保证可见性和有序性，不保证原子性（如 i++ 仍需同步）。

Q2：静态方法和实例方法的锁是否冲突？

• 不冲突！静态方法锁的是类对象（Class），实例方法锁的是当前实例（this）。

Q3：如何排查死锁？

• 使用 jstack 或可视化工具（如 JConsole）查看线程状态和锁持有情况。

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总结

synchronized 是 Java 线程同步的基石，通过 Monitor 机制实现互斥访问。虽然在高并发场景下可能成为性能瓶颈，但其简洁性和 JVM 的优化（如锁升级）使其在大多数场景下足够高效。对于更复杂的同步需求，可结合 ReentrantLock 或并发工具类（如 Semaphore、CountDownLatch）使用。