面试题：Java中ReentrantLock与Synchronized在锁升级和锁优化方面的深度剖析

Question

详细分析Java中ReentrantLock和Synchronized在锁升级过程（若存在）以及锁优化策略上的异同点，包括但不限于从JVM底层实现角度进行说明。

Answer 1

相同点

1. 功能相似：二者都用于实现多线程环境下的同步，保证同一时间只有一个线程能够访问被保护的临界区，防止数据竞争和不一致问题。
2. 都是可重入锁：同一个线程可以多次获取同一个锁而不会产生死锁。当线程获取锁后再次尝试获取该锁时，计数会增加，释放锁时计数减少，直到计数为0时锁完全释放。

不同点

1. 锁升级过程
   • Synchronized：在Java 6及以后，Synchronized 锁会从偏向锁开始，当有第二个线程访问时，升级为轻量级锁，如果竞争加剧，则进一步升级为重量级锁。偏向锁是指当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁。轻量级锁是通过CAS操作尝试将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果成功则获取锁，失败则膨胀为重量级锁。重量级锁依赖操作系统的互斥量，通过内核态和用户态的切换来实现同步，开销较大。
   • ReentrantLock：没有类似Synchronized的锁升级过程。它始终是一种基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架实现的锁机制，线程竞争时直接通过AQS队列进行排队等待获取锁。
2. JVM底层实现
   • Synchronized：是Java语言层面的关键字，由JVM底层来实现其功能。在字节码层面，使用monitorenter和monitorexit指令来实现同步，这两个指令依赖于对象头中的Monitor对象。Monitor是一个依赖于操作系统Mutex Lock实现的重量级同步工具，底层是通过C++实现的。
   • ReentrantLock：是Java类库中的一个类，基于AQS框架实现。AQS是一个用于构建锁和同步器的框架，通过一个FIFO队列来管理等待获取锁的线程。ReentrantLock通过内部类Sync继承AQS，实现了AQS的一些抽象方法来管理锁的获取和释放，其底层实现依赖于Unsafe类的CAS操作来实现线程间的同步。
3. 锁优化策略
   • Synchronized：通过锁升级的策略来优化性能，尽量减少重量级锁的使用，从而降低线程上下文切换的开销。偏向锁适用于只有一个线程访问同步块的场景，轻量级锁适用于竞争不激烈的场景，这样可以避免直接使用重量级锁带来的高开销。
   • ReentrantLock：提供了一些额外的锁优化特性，例如公平锁和非公平锁的选择。公平锁会按照线程请求锁的顺序来分配锁，避免线程饥饿，但可能会降低吞吐量；非公平锁则允许线程在锁可用时直接尝试获取锁，而不考虑等待队列中的顺序，在一定程度上提高了吞吐量，但可能导致某些线程长时间无法获取锁。此外，ReentrantLock还支持锁中断、锁超时等功能，提供了更灵活的同步控制方式，开发者可以根据具体场景选择合适的策略来优化性能。