synchronized 面试五连击
synchronized 面試五連擊
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轉(zhuǎn)載：Synchronized 關(guān)鍵字使用、底層原理、JDK1.6 之后的底層優(yōu)化以及 和ReenTrantLock 的對(duì)比
1. 說一說自己對(duì)于 synchronized 關(guān)鍵字的了解
synchronized關(guān)鍵字解決的是多個(gè)線程之間訪問資源的同步性，synchronized關(guān)鍵字可以保證被它修飾的方法或者代碼塊在任意時(shí)刻只能有一個(gè)線程執(zhí)行。
另外，在 Java 早期版本中，synchronized屬于重量級(jí)鎖，效率低下，因?yàn)楸O(jiān)視器鎖（monitor）是依賴于底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock 來實(shí)現(xiàn)的，Java 的線程是映射到操作系統(tǒng)的原生線程之上的。如果要掛起或者喚醒一個(gè)線程，都需要操作系統(tǒng)幫忙完成，而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高，這也是為什么早期的 synchronized 效率低的原因。慶幸的是在 Java 6 之后Java 官方對(duì)從 JVM 層面對(duì)synchronized 較大優(yōu)化，所以現(xiàn)在的 synchronized 鎖效率也優(yōu)化得很不錯(cuò)了。JDK1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化，如自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。
2. 說說自己怎么使用 synchronized 關(guān)鍵字的，在項(xiàng)目中用到了嗎
synchronized關(guān)鍵字最主要的三種使用方式：
- 修飾實(shí)例方法，作用于當(dāng)前對(duì)象實(shí)例加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前對(duì)象實(shí)例的鎖
- 修飾靜態(tài)方法，作用于當(dāng)前類對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前類對(duì)象的鎖 。也就是給當(dāng)前類加鎖，會(huì)作用于類的所有對(duì)象實(shí)例，因?yàn)殪o態(tài)成員不屬于任何一個(gè)實(shí)例對(duì)象，是類成員（ static 表明這是該類的一個(gè)靜態(tài)資源，不管new了多少個(gè)對(duì)象，只有一份，所以對(duì)該類的所有對(duì)象都加了鎖）。所以如果一個(gè)線程A調(diào)用一個(gè)實(shí)例對(duì)象的非靜態(tài) synchronized 方法，而線程B需要調(diào)用這個(gè)實(shí)例對(duì)象所屬類的靜態(tài) synchronized 方法，是允許的，不會(huì)發(fā)生互斥現(xiàn)象，因?yàn)樵L問靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前類的鎖，而訪問非靜態(tài)synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象鎖。
- 修飾代碼塊，指定加鎖對(duì)象，給指定對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步代碼庫前要獲得給定對(duì)象的鎖。 和 synchronized 方法一樣，synchronized(this)代碼塊也是鎖定當(dāng)前對(duì)象的。synchronized 關(guān)鍵字加到 static 靜態(tài)方法和synchronized(class)代碼塊上都是是給 Class 類上鎖。這里再提一下：synchronized關(guān)鍵字加到非 static 靜態(tài)方法上是給對(duì)象實(shí)例上鎖。另外需要注意的是：盡量不要使用 synchronized(String a) 因?yàn)镴VM中，字符串常量池具有緩沖功能！
下面我已一個(gè)常見的面試題為例講解一下 synchronized 關(guān)鍵字的具體使用。
面試中面試官經(jīng)常會(huì)說：“單例模式了解嗎？來給我手寫一下！給我解釋一下雙重檢驗(yàn)鎖方式實(shí)現(xiàn)單例模式的原理
唄！”
雙重校驗(yàn)鎖實(shí)現(xiàn)對(duì)象單例（線程安全）
private volatile static Singleton uniqueInstance;private Singleton() {}public static Singleton getUniqueInstance() {if (uniqueInstance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new Singleton();}}}return uniqueInstance;}另外，需要注意 uniqueInstance 采用 volatile 關(guān)鍵字修飾也是很有必要。
uniqueInstance 采用 volatile 關(guān)鍵字修飾也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 這段代碼其實(shí)是分為三步執(zhí)行：
為 uniqueInstance 分配內(nèi)存空間
初始化 uniqueInstance
將 uniqueInstance 指向分配的內(nèi)存地址
但是由于 JVM 具有指令重排的特性，執(zhí)行順序有可能變成 1->3->2。指令重排在單線程環(huán)境下不會(huì)出先問題，但是在多線程環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程獲得還沒有初始化的實(shí)例。例如，線程 T1 執(zhí)行了 1 和 3，此時(shí) T2 調(diào)用 getUniqueInstance() 后發(fā)現(xiàn) uniqueInstance 不為空，因此返回 uniqueInstance，但此時(shí) uniqueInstance 還未被初始化。
使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保證在多線程環(huán)境下也能正常運(yùn)行。
3. 說一下 synchronized 關(guān)鍵字底層原理
synchronized 關(guān)鍵字底層原理屬于 JVM 層面。
① synchronized 同步語句塊的情況
public class SynchronizedDemo {public void method() {synchronized (this) {System.out.println("synchronized 代碼塊");}} }通過 JDK 自帶的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 類的相關(guān)字節(jié)碼信息：首先切換到類的對(duì)應(yīng)目錄執(zhí)行 javac SynchronizedDemo.java 命令生成編譯后的 .class 文件，然后執(zhí)行 javap -c -s -v -l
SynchronizedDemo.class 。
從上面我們可以看出：
synchronized 同步語句塊的實(shí)現(xiàn)使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指令則指明同步代碼塊的結(jié)束位置。 當(dāng)執(zhí)行 monitorenter 指令時(shí)，線程試圖獲取鎖也就是獲取 monitor(monitor對(duì)象存在于每個(gè)Java對(duì)象的對(duì)象頭中，synchronized 鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對(duì)象可以作為鎖的原因) 的持有權(quán)。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0則可以成功獲取，獲取后將鎖計(jì)數(shù)器設(shè)為1也就是加1。相應(yīng)的在執(zhí)行 monitorexit 指令后，將鎖計(jì)數(shù)器設(shè)為0，表明鎖被釋放。如果獲取對(duì)象鎖失敗，那當(dāng)前線程就要阻塞等待，直到鎖被另外一個(gè)線程釋放為止。
② synchronized 修飾方法的的情況
public class SynchronizedDemo2 {public synchronized void method() {System.out.println("synchronized 方法");} }
synchronized 修飾的方法并沒有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)指明了該方法是一個(gè)同步方法，JVM 通過該 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志來辨別一個(gè)方法是否聲明為同步方法，從而執(zhí)行相應(yīng)的同步調(diào)用。
4. 說說 JDK1.6 之后的 synchronized 關(guān)鍵字底層做了哪些優(yōu)化，可以詳細(xì)介紹一下這些優(yōu)化嗎
JDK1.6 對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化，如偏向鎖、輕量級(jí)鎖、自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。
鎖主要存在四種狀態(tài)，依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)、重量級(jí)鎖狀態(tài)，他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí)，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
①偏向鎖
引入偏向鎖的目的和引入輕量級(jí)鎖的目的很像，他們都是為了沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。但是不同是：輕量級(jí)鎖在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用 CAS 操作去代替使用互斥量。而偏向鎖在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下會(huì)把整個(gè)同步都消除掉。
偏向鎖的“偏”就是偏心的偏，它的意思是會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程，如果在接下來的執(zhí)行中，該鎖沒有被其他線程獲取，那么持有偏向鎖的線程就不需要進(jìn)行同步！關(guān)于偏向鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐》第二版的13章第三節(jié)鎖優(yōu)化。
但是對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合，偏向鎖就失效了，因?yàn)檫@樣場(chǎng)合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線程都是不相同的，因此這種場(chǎng)合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會(huì)得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。
② 輕量級(jí)鎖
倘若偏向鎖失敗，虛擬機(jī)并不會(huì)立即升級(jí)為重量級(jí)鎖，它還會(huì)嘗試使用一種稱為輕量級(jí)鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)。輕量級(jí)鎖不是為了代替重量級(jí)鎖，它的本意是在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗，因?yàn)槭褂幂p量級(jí)鎖時(shí)，不需要申請(qǐng)互斥量。另外，輕量級(jí)鎖的加鎖和解鎖都用到了CAS操作。關(guān)于輕量級(jí)鎖的加鎖和解鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐》第二版的13章第三節(jié)鎖優(yōu)化。
輕量級(jí)鎖能夠提升程序同步性能的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的”，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果沒有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖使用 CAS 操作避免了使用互斥操作的開銷。但如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，除了互斥量開銷外，還會(huì)額外發(fā)生CAS操作，因此在有鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢！如果鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈，那么輕量級(jí)將很快膨脹為重量級(jí)鎖！
③ 自旋鎖和自適應(yīng)自旋
輕量級(jí)鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。
互斥同步對(duì)性能最大的影響就是阻塞的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閽炱鹁€程/恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成（用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)會(huì)耗費(fèi)時(shí)間）。
一般線程持有鎖的時(shí)間都不是太長(zhǎng)，所以僅僅為了這一點(diǎn)時(shí)間去掛起線程/恢復(fù)線程是得不償失的。 所以，虛擬機(jī)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)就這樣去考慮：“我們能不能讓后面來的請(qǐng)求獲取鎖的線程等待一會(huì)而不被掛起呢？看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖”。為了讓一個(gè)線程等待，我們只需要讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），這項(xiàng)技術(shù)就叫做自旋。
百度百科對(duì)自旋鎖的解釋：
何謂自旋鎖？它是為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出一種鎖機(jī)制。其實(shí)，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對(duì)某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對(duì)于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請(qǐng)者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。
自旋鎖在 JDK1.6 之前其實(shí)就已經(jīng)引入了，不過是默認(rèn)關(guān)閉的，需要通過–XX:+UseSpinning參數(shù)來開啟。JDK1.6及1.6之后，就改為默認(rèn)開啟的了。需要注意的是：自旋等待不能完全替代阻塞，因?yàn)樗€是要占用處理器時(shí)間。如果鎖被占用的時(shí)間短，那么效果當(dāng)然就很好了！反之，相反！自旋等待的時(shí)間必須要有限度。如果自旋超過了限定次數(shù)任然沒有獲得鎖，就應(yīng)該掛起線程。自旋次數(shù)的默認(rèn)值是10次，用戶可以修改–XX:PreBlockSpin來更改。
另外,在 JDK1.6 中引入了自適應(yīng)的自旋鎖。自適應(yīng)的自旋鎖帶來的改進(jìn)就是：自旋的時(shí)間不在固定了，而是和前一次同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定，虛擬機(jī)變得越來越“聰明”了。
④ 鎖消除
鎖消除理解起來很簡(jiǎn)單，它指的就是虛擬機(jī)即使編譯器在運(yùn)行時(shí)，如果檢測(cè)到那些共享數(shù)據(jù)不可能存在競(jìng)爭(zhēng)，那么就執(zhí)行鎖消除。鎖消除可以節(jié)省毫無意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間。
⑤ 鎖粗化
原則上，我們?cè)倬帉懘a的時(shí)候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小——只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域才進(jìn)行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那等待線程也能盡快拿到鎖。
大部分情況下，上面的原則都是沒有問題的，但是如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，那么會(huì)帶來很多不必要的性能消耗。
5. 談?wù)?synchronized 和 ReentrantLock 的區(qū)別
① 兩者都是可重入鎖
兩者都是可重入鎖?！翱芍厝腈i”概念是：自己可以再次獲取自己的內(nèi)部鎖。比如一個(gè)線程獲得了某個(gè)對(duì)象的鎖，此時(shí)這個(gè)對(duì)象鎖還沒有釋放，當(dāng)其再次想要獲取這個(gè)對(duì)象的鎖的時(shí)候還是可以獲取的，如果不可鎖重入的話，就會(huì)造成死鎖。同一個(gè)線程每次獲取鎖，鎖的計(jì)數(shù)器都自增1，所以要等到鎖的計(jì)數(shù)器下降為0時(shí)才能釋放鎖。
② synchronized 依賴于 JVM 而 ReenTrantLock 依賴于 API
synchronized 是依賴于 JVM 實(shí)現(xiàn)的，前面我們也講到了 虛擬機(jī)團(tuán)隊(duì)在 JDK1.6 為 synchronized 關(guān)鍵字進(jìn)行了很多優(yōu)化，但是這些優(yōu)化都是在虛擬機(jī)層面實(shí)現(xiàn)的，并沒有直接暴露給我們。ReenTrantLock 是 JDK 層面實(shí)現(xiàn)的（也就是 API 層面，需要 lock() 和 unlock 方法配合 try/finally 語句塊來完成），所以我們可以通過查看它的源代碼，來看它是如何實(shí)現(xiàn)的。
③ ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高級(jí)功能
相比synchronized，ReenTrantLock增加了一些高級(jí)功能。主要來說主要有三點(diǎn)：①等待可中斷；②可實(shí)現(xiàn)公平鎖；③可實(shí)現(xiàn)選擇性通知（鎖可以綁定多個(gè)條件）
ReenTrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機(jī)制，通過lock.lockInterruptibly()來實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制。也就是說正在等待的線程可以選擇放棄等待，改為處理其他事情。
ReenTrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。 ReenTrantLock默認(rèn)情況是非公平的，可以通過 ReenTrantLock類的ReentrantLock(boolean fair)構(gòu)造方法來制定是否是公平的。
synchronized關(guān)鍵字與wait()和notify/notifyAll()方法相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)等待/通知機(jī)制，ReentrantLock類當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)，但是需要借助于Condition接口與newCondition() 方法。Condition是JDK1.5之后才有的，它具有很好的靈活性，比如可以實(shí)現(xiàn)多路通知功能也就是在一個(gè)Lock對(duì)象中可以創(chuàng)建多個(gè)Condition實(shí)例（即對(duì)象監(jiān)視器），線程對(duì)象可以注冊(cè)在指定的Condition中，從而可以有選擇性的進(jìn)行線程通知，在調(diào)度線程上更加靈活。 在使用notify/notifyAll()方法進(jìn)行通知時(shí)，被通知的線程是由 JVM 選擇的，用ReentrantLock類結(jié)合Condition實(shí)例可以實(shí)現(xiàn)“選擇性通知” ，這個(gè)功能非常重要，而且是Condition接口默認(rèn)提供的。而synchronized關(guān)鍵字就相當(dāng)于整個(gè)Lock對(duì)象中只有一個(gè)Condition實(shí)例，所有的線程都注冊(cè)在它一個(gè)身上。如果執(zhí)行notifyAll()方法的話就會(huì)通知所有處于等待狀態(tài)的線程這樣會(huì)造成很大的效率問題，而Condition實(shí)例的signalAll()方法 只會(huì)喚醒注冊(cè)在該Condition實(shí)例中的所有等待線程。
如果你想使用上述功能，那么選擇ReenTrantLock是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
④ 性能已不是選擇標(biāo)準(zhǔn)
在JDK1.6之前，synchronized 的性能是比 ReenTrantLock 差很多。具體表示為：synchronized 關(guān)鍵字吞吐量歲線程數(shù)的增加，下降得非常嚴(yán)重。而ReenTrantLock 基本保持一個(gè)比較穩(wěn)定的水平。我覺得這也側(cè)面反映了， synchronized 關(guān)鍵字還有非常大的優(yōu)化余地。后續(xù)的技術(shù)發(fā)展也證明了這一點(diǎn)，我們上面也講了在 JDK1.6 之后 JVM 團(tuán)隊(duì)對(duì) synchronized 關(guān)鍵字做了很多優(yōu)化。JDK1.6 之后，synchronized 和 ReenTrantLock 的性能基本是持平了。所以網(wǎng)上那些說因?yàn)樾阅懿胚x擇 ReenTrantLock 的文章都是錯(cuò)的！JDK1.6之后，性能已經(jīng)不是選擇synchronized和ReenTrantLock的影響因素了！而且虛擬機(jī)在未來的性能改進(jìn)中會(huì)更偏向于原生的synchronized，所以還是提倡在synchronized能滿足你的需求的情況下，優(yōu)先考慮使用synchronized關(guān)鍵字來進(jìn)行同步！優(yōu)化后的synchronized和ReenTrantLock一樣，在很多地方都是用到了CAS操作。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的synchronized 面试五连击的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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