Java锁机制八股文

一、简短结论

CAS是基础：所有Java锁机制的底层都依赖CAS实现原子操作
AQS是框架：ReentrantLock等JUC锁基于AQS，AQS使用CAS+CLH队列
synchronized是混合锁：经历了偏向锁→轻量级锁→重量级锁的升级过程，内部大量使用CAS
锁选择原则：简单场景用synchronized，需要高级功能用ReentrantLock

二、详细内容

1. CAS（Compare And Swap）

定义：无锁算法的核心，原子性地比较并更新值

实现原理：

java 复制代码

// 伪代码
boolean CAS(V expect, V update) {
    if (currentValue == expect) {
        currentValue = update;
        return true;
    }
    return false;
}

Java实现：

sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt/Long/Object
JUC包中的Atomic类：AtomicInteger、AtomicReference等

特点：

乐观锁思想
通过自旋（循环尝试）实现
解决ABA问题：使用AtomicStampedReference（带版本号）

2. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

作用：JUC并发包的基石框架

核心组成：

state：同步状态变量（volatile）
CLH队列：双向链表存储等待线程
Node节点：包含线程、等待状态、前后指针

ReentrantLock与AQS关系：

公平锁/非公平锁都是AQS子类
state=0表示锁空闲，state>0表示被持有
可重入：state记录重入次数

AQS的CAS使用：

java 复制代码

// 状态更新
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
// 队列操作（入队、设置头尾节点）都用CAS保证线程安全

3. synchronized锁升级过程

Java对象头Mark Word结构（64位）：

复制代码

| 锁状态   | 54位                  | 2位  | 1位(偏向) | 2位(锁标志) |
|----------|----------------------|------|-----------|-------------|
| 无锁     | hashCode/分代年龄等   |      | 0         | 01          |
| 偏向锁   | ThreadID(54位)       |      | 1         | 01          |
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针   |      |           | 00          |
| 重量级锁 | 指向Monitor的指针     |      |           | 10          |
| GC标记   | 空                   |      |           | 11          |

锁升级流程：

偏向锁（单线程访问）
- 首次进入：CAS设置ThreadID到Mark Word
- 重入：检查ThreadID匹配直接进入
轻量级锁（轻度竞争）
- 有竞争时撤销偏向锁
- 创建锁记录（Lock Record）复制Mark Word
- CAS将对象头指向锁记录
- 失败则自旋尝试
重量级锁（重度竞争）
- 自旋超过阈值（默认10次）
- 膨胀为重量级锁，向OS申请互斥量
- 线程进入等待队列，涉及内核态切换

synchronized中的CAS应用：

偏向锁获取/撤销
轻量级锁的锁记录设置
锁升级的状态转换

4. synchronized vs ReentrantLock

synchronized：

JVM内置，自动管理锁获取/释放
非公平锁（但内部有优化）
只有一个条件队列（wait/notify）
优化后性能接近ReentrantLock

ReentrantLock：

JDK实现，基于AQS
手动lock/unlock（需finally释放）
可中断、可超时、可公平
支持多个Condition
提供tryLock非阻塞获取

使用选择：

简单同步：synchronized（简洁不易出错）
复杂需求：ReentrantLock（灵活控制）

5. 关键问题答案

Q1：AQS内部使用CAS还是什么？

主要使用CAS：更新state、入队出队、设置头尾节点都依赖CAS
配合volatile：state用volatile保证可见性
park/unpark：线程阻塞/唤醒机制

Q2：synchronized的实现原理？

混合锁实现：偏向锁+CAS+轻量级锁+重量级锁
锁升级策略：根据竞争强度动态升级
CAS关键作用：锁状态转换、线程ID设置、锁记录操作

6. 锁优化建议

减少锁粒度：锁尽量小的代码块
减少锁持有时间：尽快释放锁
读写分离：读多写少用读写锁
无锁化：能用CAS就不用锁
避免锁嵌套：预防死锁

7. 现代优化趋势

偏向锁废弃（Java 15+）：维护成本高，实际收益有限
自适应自旋：根据历史成功率动态调整自旋次数
锁消除：JIT编译器移除不可能竞争的锁
锁粗化：合并连续的小锁为一个大锁

总结：Java锁机制从底层CAS到高层AQS再到synchronized，形成完整的并发控制体系。理解这些原理有助于写出高效、正确的并发代码，也能更好地排查并发问题。