面试题：Java并发编程中，锁机制对性能有哪些影响及如何调优？

synchronized关键字

高并发读多写少场景
- 性能影响：synchronized是独占锁，在高并发读多写少场景下，由于每次只能有一个线程获取锁，即使读操作不修改数据，其他读线程也需要等待锁释放，会导致线程频繁竞争锁，性能较低。因为读操作之间不存在数据一致性问题，不需要互斥访问。
- 示例：

public class SynchronizedReadExample {
    private static final Object lock = new Object();
    private int data;
    public int readData() {
        synchronized (lock) {
            return data;
        }
    }
}

高并发写多读少场景
- 性能影响：在写多读少场景下，synchronized的独占特性可以保证数据一致性，每次只有一个线程能进行写操作，其他线程无论是读还是写都要等待锁释放。虽然写操作能保证数据正确性，但由于读操作也需要等待写操作完成释放锁，整体性能会受到影响，因为写操作相对耗时，会使读线程等待时间较长。
- 示例：

public class SynchronizedWriteExample {
    private static final Object lock = new Object();
    private int data;
    public void writeData(int newData) {
        synchronized (lock) {
            data = newData;
        }
    }
}

ReentrantLock

高并发读多写少场景
- 性能影响：ReentrantLock同样是独占锁，在高并发读多写少场景下，和synchronized类似，读操作线程会频繁竞争锁，因为每次只有一个线程能获取锁，读操作之间不必要的竞争锁会导致性能损耗。
- 示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockReadExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int data;
    public int readData() {
        lock.lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

高并发写多读少场景
- 性能影响：在写多读少场景下，ReentrantLock能保证写操作的原子性和数据一致性，但是由于它是独占锁，读操作也需要等待写操作完成释放锁，会造成读线程等待，影响系统整体性能。
- 示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockWriteExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int data;
    public void writeData(int newData) {
        lock.lock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

锁优化方式及提升性能说明

锁粗化
- 原理：将多个连续的锁操作合并为一个较大范围的锁操作。如果一系列的连续操作都对同一个对象加锁解锁，频繁的加锁解锁操作会带来性能开销，锁粗化就是将这些操作的锁范围扩大，减少加锁解锁次数。
- 示例：

public class LockCoarseningExample {
    private static final Object lock = new Object();
    public void doOperations() {
        // 未锁粗化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            synchronized (lock) {
                // 一些操作
            }
        }
        // 锁粗化后
        synchronized (lock) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                // 一些操作
            }
        }
    }
}

性能提升：减少了加锁解锁的次数，从而降低了上下文切换的开销，提升性能。

锁细化
- 原理：将一个大的锁操作细分为多个小的锁操作，不同部分使用不同的锁，使得多个线程可以同时访问对象的不同部分，提高并发度。
- 示例：假设有一个包含多个子列表的大列表，如果对整个列表加锁，那么每次只有一个线程能访问列表中的任何子列表。锁细化后，每个子列表可以有自己的锁。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class LockRefinementExample {
    private List<List<Integer>> bigList = new ArrayList<>();
    private List<Lock> subLocks = new ArrayList<>();
    public LockRefinementExample() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            bigList.add(new ArrayList<>());
            subLocks.add(new Lock());
        }
    }
    public void addElement(int subListIndex, int element) {
        subLocks.get(subListIndex).lock();
        try {
            bigList.get(subListIndex).add(element);
        } finally {
            subLocks.get(subListIndex).unlock();
        }
    }
}
class Lock {
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        while (isLocked) {
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }
    public synchronized void unlock() {
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

性能提升：提高了并发访问的能力，不同线程可以同时访问不同子列表，减少了线程等待时间。

读写锁的使用
- 原理：读写锁（ReadWriteLock）将锁分为读锁和写锁，允许多个线程同时获取读锁进行读操作（因为读操作不修改数据，不会造成数据一致性问题），而写操作时只允许一个线程获取写锁，并且写锁获取时会排斥其他读锁和写锁。
- 示例：

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteLockExample {
    private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private int data;
    public int readData() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
    public void writeData(int newData) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

性能提升：在高并发读多写少场景下，极大地提高了性能，因为读操作可以并发执行，只有写操作时才需要独占锁，减少了读操作的等待时间。在写多读少场景下，虽然写操作还是独占，但读操作等待写操作完成后可以并发执行，相比独占锁整体性能也有所提升。

面试题：Java并发编程中，锁机制对性能有哪些影响及如何调优？

知识考点

面试题答案

synchronized关键字

ReentrantLock

锁优化方式及提升性能说明