面试题：Java多线程环境下synchronized关键字与ReentrantLock的对比

Question

在Java多线程编程里，synchronized关键字和ReentrantLock都能用于实现线程同步以保障线程安全。请详细对比这两者在使用场景、性能、锁的获取与释放机制、锁的公平性等方面的区别，并说明在何种情况下应优先选择使用ReentrantLock。

Answer 1

使用场景

• synchronized：可用于修饰方法和代码块，在普通的同步场景，如简单的对象同步操作中使用较为方便，它是Java内置的关键字，和代码耦合度高。
• ReentrantLock：通常用于更复杂的同步场景，例如需要手动控制锁的获取与释放、实现公平锁或需要进行锁的中断等情况，使用起来更加灵活。

性能

• synchronized：在Java 6之前性能较差，因为其是重量级锁，会引起线程上下文切换等开销。但Java 6之后，对其进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁等机制，性能得到了很大提升。在竞争不激烈的情况下，性能表现良好。
• ReentrantLock：在竞争激烈的情况下，性能可能优于synchronized。它支持更细粒度的控制，如可以使用非公平锁来提高吞吐量（默认是非公平锁）。并且在高竞争场景下，ReentrantLock的锁获取和释放操作可以通过CAS等无锁机制实现，减少线程上下文切换的开销。

锁的获取与释放机制

• synchronized：当线程进入同步代码块或方法时自动获取锁，当代码块或方法执行完毕（正常结束或抛出异常）时自动释放锁，程序员无法手动控制锁的释放时机。
• ReentrantLock：通过调用lock()方法获取锁，需要手动调用unlock()方法释放锁，通常将unlock()放在finally块中以确保锁一定会被释放，防止死锁。例如：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 业务逻辑
} finally {
    lock.unlock();
}

锁的公平性

• synchronized：是非公平锁，线程竞争锁时，不保证等待时间最长的线程优先获取锁，这种方式在一定程度上可以提高吞吐量。
• ReentrantLock：默认是非公平锁，但可以通过构造函数设置为公平锁。公平锁会按照线程等待的先后顺序分配锁，能保证线程等待的公平性，但公平锁的实现开销较大，会降低系统的吞吐量。例如：

// 创建公平锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); 

优先选择ReentrantLock的情况

• 需要手动控制锁的释放：当需要在特定条件下提前释放锁，或者在不同的代码路径下释放锁时，ReentrantLock更合适，因为它可以手动调用unlock()方法。
• 需要实现公平锁：如果业务场景要求线程获取锁的顺序必须是公平的，即等待时间最长的线程优先获取锁，那么应选择ReentrantLock并设置为公平锁。
• 需要锁中断：当线程在获取锁的过程中需要能够响应中断时，ReentrantLock提供了lockInterruptibly()方法来实现此功能，而synchronized关键字无法做到。
• 需要更细粒度的锁控制：例如需要使用读锁、写锁等功能（ReentrantLock可以配合Condition实现类似读写锁的功能），或者需要实现锁的超时获取等，ReentrantLock能提供更灵活的控制。