面试题：Java并发编程中锁优化及AQS原理

Question

在高并发场景下，锁的性能至关重要。请深入阐述Java中锁优化的技术，如偏向锁、轻量级锁、自旋锁等，说明它们的适用场景及工作原理。此外，简述AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架的设计思想、核心组件及其在实现锁和同步器中的作用。

Answer 1

Java中锁优化技术

1. 偏向锁
   • 适用场景：适用于只有一个线程频繁访问同步块的场景。在这种场景下，偏向锁可以减少不必要的锁竞争，提高性能。
   • 工作原理：当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头中记录当前线程的ID。之后该线程再次访问同步块时，只需检查对象头中记录的线程ID是否与自己一致，若一致则无需进行CAS操作来获取锁，从而节省开销。若有其他线程尝试获取锁，则偏向锁撤销，升级为轻量级锁。
2. 轻量级锁
   • 适用场景：适用于多个线程在短期内交替访问同步块的场景。
   • 工作原理：当线程进入同步块时，如果同步对象没有被锁定（锁标志位为01），虚拟机首先在当前线程的栈帧中创建一个锁记录空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方称为Displaced Mark Word）。然后，线程尝试使用CAS操作将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，轻量级锁膨胀为重量级锁。
3. 自旋锁
   • 适用场景：适用于线程持有锁的时间较短，且CPU资源不紧张的场景。
   • 工作原理：当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程持有，该线程不会立即阻塞，而是在原地空转若干次（自旋），期望在这段时间内持有锁的线程能够释放锁，从而避免线程上下文切换带来的开销。自旋次数通常由JVM参数控制，若自旋一定次数后仍未获取到锁，则该线程进入阻塞状态。

AQS框架

1. 设计思想：AQS框架是基于FIFO队列的同步器框架，采用模板方法模式。它通过一个FIFO队列来管理等待获取同步状态的线程，同时利用一个int类型的变量来表示同步状态。子类通过继承AQS并实现其抽象方法来管理同步状态，从而实现不同类型的同步器。
2. 核心组件
   • 同步队列：即FIFO队列，用于存储等待获取同步状态的线程。每个节点包含前驱节点、后继节点和线程引用。
   • 同步状态（state）：一个int类型的变量，用于表示同步状态。不同的同步器对state的含义和操作方式不同，例如ReentrantLock中，state表示锁的持有次数。
3. 在实现锁和同步器中的作用
   • 实现锁：以ReentrantLock为例，它内部的Sync类继承自AQS。获取锁时，调用AQS的acquire方法，该方法会尝试获取同步状态（tryAcquire方法，由子类实现），若获取失败则将当前线程封装成节点加入同步队列等待。释放锁时，调用AQS的release方法，尝试释放同步状态（tryRelease方法，由子类实现），若释放成功则唤醒同步队列中的头节点线程。
   • 实现同步器：如CountDownLatch、Semaphore等同步器也是基于AQS实现。CountDownLatch通过AQS的state表示计数，线程调用await方法时，若state不为0则进入同步队列等待，调用countDown方法时，state减1，当state为0时唤醒所有等待线程。Semaphore通过AQS的state表示信号量数量，获取信号量时尝试减少state，释放信号量时增加state。