面试鸭 Java 后端面试题, Java 中 synchronized 的底层实现和锁的升降级机制是什么?

QA

Step 1

Q:: Java 中 synchronized 的底层实现是什么？

A:: 在 Java 中，synchronized 是一种同步机制，用于确保同一时刻只有一个线程可以执行被同步的代码块或方法。其底层实现依赖于 JVM（Java 虚拟机）中的对象头（Object Header）和监视器（Monitor）。对象头包含 Mark Word，其中存储了对象的哈希码、GC 信息和锁信息。当一个线程进入 synchronized 块时，会尝试获取对象的监视器，如果成功，则会修改对象头中的锁状态（Mark Word），指向当前线程持有的监视器。如果另一个线程尝试进入该同步块，则会被阻塞，直到第一个线程释放监视器。

Step 2

Q:: 锁的升降级机制是什么？

A:: 锁的升降级机制是指 Java 虚拟机在不同的并发场景下，为了提高锁的性能和降低开销而采用的一种优化策略。锁的状态主要包括：无锁（Unlocked）、偏向锁（Biased Locking）、轻量级锁（Lightweight Locking）和重量级锁（Heavyweight Locking）。 1. 偏向锁：当一个线程首次获得锁时，JVM 会将锁偏向于该线程，下次同一线程再次请求该锁时，可以直接进入同步块，而无需执行 CAS（Compare-And-Swap）操作。 2. 轻量级锁：当偏向锁被另一个线程竞争时，偏向锁会被撤销，锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过使用 CAS 操作来避免线程阻塞。 3. 重量级锁：当轻量级锁的竞争激烈时，会升级为重量级锁，涉及操作系统的 Mutex 机制，线程会进入阻塞状态，直到锁被释放。

用途

面试这个内容的目的是评估候选人对 Java 并发机制的理解和掌握情况。这在实际生产环境中非常重要，特别是在多线程并发编程中。如果候选人能够深入理解 synchronized 的底层实现和锁的升降级机制，他们就能够编写出性能更高、更稳定的多线程应用程序，避免常见的并发问题如死锁、资源竞争等。尤其在高并发、高性能的服务器端开发中，这些知识是必不可少的。\n

相关问题

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什么是 CAS 操作?▷

CAS（Compare-And-Swap）是一种硬件层面的原子操作，用于实现无锁（Lock-Free）算法。它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。如果内存位置 V 的值与预期原值 A 相等，则将其更新为新值 B，否则不做任何操作。CAS 操作用于解决多线程并发问题，避免使用锁，从而提高性能。

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什么是死锁?如何避免?▷

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中因竞争资源而造成的一种相互等待的现象。如果没有外力干涉，它们将永远无法推进。避免死锁的方法包括： 1. 避免嵌套锁：尽量减少锁的嵌套，避免不同顺序的锁请求。 2. 使用定时锁：使用带有超时机制的锁请求，避免无限期等待。 3. 资源排序：为所有的资源分配一个顺序，按顺序请求锁，避免循环等待。 4. 死锁检测：监控和检测系统的锁状态，一旦发现死锁，采取措施进行恢复。

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什么是 volatile 关键字?▷

volatile 是 Java 中的一个关键字，用于标记变量，使其具有可见性和有序性。在多线程环境中，一个被 volatile 修饰的变量在被一个线程修改后，修改后的值对其他线程立即可见。此外，volatile 还可以防止指令重排序，从而保证变量的操作顺序。需要注意的是，volatile 关键字不能保证原子性，如果需要原子性操作，应该使用同步机制或原子类。

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什么是 ReentrantLock?与 synchronized 有什么区别?▷

ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个可重入锁，它提供了与 synchronized 类似的同步功能，但比 synchronized 更加灵活和强大。主要区别包括： 1. 可中断：ReentrantLock 可以在等待锁时被中断，而 synchronized 不行。 2. 公平锁：ReentrantLock 可以选择公平锁模式（按线程请求锁的顺序），而 synchronized 是非公平的。 3. 超时锁：ReentrantLock 提供了尝试获取锁的方法，可以设定超时时间，避免无限期等待。 4. 条件变量：ReentrantLock 提供了更细粒度的控制，可以与 Condition 对象一起使用，实现多条件等待和通知机制。

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