面试题：Java中如何通过锁机制保证线程安全？

Question

请阐述在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock在实现线程安全方面的原理、使用场景及它们之间的主要区别。

Answer 1

原理

1. synchronized关键字：
   • 对象头：Java对象头中有一部分用于存储对象的锁信息。当一个线程访问被synchronized修饰的代码块或方法时，它会尝试获取对象的锁。如果锁可用，线程会将对象头中的锁标志位设置为相应的状态（偏向锁、轻量级锁或重量级锁，具体取决于竞争情况）。
   • Monitor机制：在底层，synchronized依赖于JVM的Monitor机制。Monitor可以理解为一个同步工具，也可以说是一种同步机制，它包含一个计数器和一个等待队列。当线程获取到Monitor时，计数器加1，当线程释放Monitor时，计数器减1。如果计数器为0，其他线程就可以竞争获取Monitor。
2. ReentrantLock：
   • AQS框架：ReentrantLock基于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架实现。AQS使用一个FIFO队列来管理等待获取锁的线程。当一个线程尝试获取锁时，如果锁不可用，线程会被封装成一个Node节点加入到队列中。当持有锁的线程释放锁时，会从队列中唤醒一个等待线程。
   • 可重入性实现：ReentrantLock内部维护了一个持有锁的线程标识和一个重入次数计数器。当同一个线程再次获取锁时，重入次数加1，释放锁时重入次数减1，当重入次数为0时，锁被真正释放。

使用场景

1. synchronized关键字：
   • 简单场景：适用于简单的同步需求，代码量较少，例如对一个方法或代码块进行同步，无需复杂的锁控制。
   • 内置锁场景：当需要使用对象内置的锁机制，并且不需要额外的高级功能（如公平锁、可中断锁等）时，synchronized是一个很好的选择。
2. ReentrantLock：
   • 复杂场景：适用于需要更灵活、更高级的锁控制的场景。例如，需要实现公平锁（按照线程等待的顺序获取锁），ReentrantLock可以通过构造函数设置为公平锁。
   • 可中断场景：当需要支持线程在等待锁的过程中可以被中断时，ReentrantLock的lockInterruptibly()方法可以满足需求，而synchronized关键字不支持可中断的锁获取。
   • 多条件场景：ReentrantLock可以创建多个Condition对象，实现更细粒度的线程间通信和同步，而synchronized只能通过Object的wait()、notify()和notifyAll()方法进行简单的线程间通信。

主要区别

1. 锁的获取方式：
   • synchronized关键字：是隐式获取锁，当进入synchronized修饰的代码块或方法时，自动获取锁，退出时自动释放锁，无需手动操作。
   • ReentrantLock：是显式获取锁，需要调用lock()方法获取锁，使用完后必须调用unlock()方法释放锁，否则可能导致死锁。
2. 锁的公平性：
   • synchronized关键字：是非公平锁，线程在竞争锁时，不考虑等待队列中线程的顺序，新到来的线程有可能直接获取到锁，即使等待队列中有其他线程等待时间更长。
   • ReentrantLock：默认是非公平锁，但可以通过构造函数设置为公平锁，公平锁会按照线程在等待队列中的顺序分配锁，减少线程饥饿现象。
3. 锁的可中断性：
   • synchronized关键字：获取锁的过程是不可中断的，一旦线程进入等待获取锁的状态，除非获取到锁或者发生异常，否则不会被中断。
   • ReentrantLock：提供了lockInterruptibly()方法，允许线程在等待锁的过程中被中断，通过这种方式可以更好地控制线程的执行流程。
4. 锁的绑定条件：
   • synchronized关键字：与对象的内置锁绑定，一个对象只有一把锁，只能通过Object的wait()、notify()和notifyAll()方法进行线程间通信。
   • ReentrantLock：可以绑定多个Condition对象，每个Condition对象可以实现不同的等待和唤醒策略，实现更灵活的线程间同步和通信。
5. 性能方面：
   • 在JDK早期版本中，synchronized的性能相对较差，因为它是重量级锁，涉及到操作系统内核态和用户态的切换。随着JDK的发展，synchronized进行了很多优化，如偏向锁、轻量级锁等，性能有了很大提升。
   • ReentrantLock：在高竞争环境下，ReentrantLock的性能可能优于synchronized，因为它可以通过设置公平锁、使用非公平锁的优化策略等方式来提高性能。但在低竞争环境下，synchronized的性能可能更好，因为它的使用更简单，开销更小。