面试题：Java多线程原子操作与锁机制在性能上的对比及适用场景

性能差异

原子操作：
- 原理：原子操作类（如AtomicInteger、AtomicLong等）利用硬件级别的原子指令（如CAS - Compare - And - Swap）来实现操作的原子性。在没有竞争或者竞争较小的情况下，不需要线程挂起和恢复等上下文切换开销。
- 性能优势：在低竞争环境下，性能表现优异，因为它不需要像锁那样进行线程的阻塞和唤醒操作，减少了线程上下文切换的开销。例如，在一个计数器场景中，多个线程对计数器进行自增操作，如果竞争不激烈，使用AtomicInteger的性能会比使用锁更高。
锁机制：
- 原理：无论是synchronized关键字还是ReentrantLock，本质上都是通过锁定一个对象或者资源，使得同一时间只有一个线程能够访问被保护的代码块或者资源。当一个线程获取锁失败时，会被阻塞，进入等待队列，直到锁被释放。
- 性能劣势：在高竞争环境下，频繁的线程阻塞和唤醒会导致大量的上下文切换开销，降低系统性能。例如，多个线程频繁竞争一个锁来访问临界区代码，会使得线程在等待锁和执行代码之间频繁切换，降低整体的吞吐量。

应用场景

原子操作适用场景：
- 计数器场景：例如统计网站的访问量，多个线程并发进行计数操作。使用AtomicInteger可以简单高效地实现，示例代码如下：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

状态标记场景：比如标记任务是否完成，使用AtomicBoolean，代码示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

public class TaskMarker {
    private AtomicBoolean taskFinished = new AtomicBoolean(false);

    public void setTaskFinished() {
        taskFinished.set(true);
    }

    public boolean isTaskFinished() {
        return taskFinished.get();
    }
}

锁机制适用场景：
- 复杂同步逻辑场景：当需要保证多个操作的原子性，并且操作之间存在依赖关系时，锁机制更合适。例如银行转账操作，从一个账户扣款并向另一个账户加款，这两个操作需要在同一锁的保护下，确保数据一致性。示例代码（使用synchronized）：

public class BankAccount {
    private double balance;

    public BankAccount(double initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
    }

    public synchronized void transfer(BankAccount to, double amount) {
        if (this.balance >= amount) {
            this.balance -= amount;
            to.balance += amount;
        }
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }
}

资源共享场景：当多个线程需要访问和修改共享资源，并且需要对资源进行复杂的读写控制时，如数据库连接池的管理，使用ReentrantLock可以提供更灵活的锁控制（如可重入、公平性等）。示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConnectionPool {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 模拟连接池
    private int availableConnections;

    public ConnectionPool(int initialConnections) {
        this.availableConnections = initialConnections;
    }

    public void getConnection() {
        lock.lock();
        try {
            if (availableConnections > 0) {
                availableConnections--;
                // 这里可以返回实际的连接对象
            } else {
                // 处理没有可用连接的情况
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void releaseConnection() {
        lock.lock();
        try {
            availableConnections++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

星途面试题库

面试题：Java多线程原子操作与锁机制在性能上的对比及适用场景

知识考点

面试题答案

性能差异

应用场景