面试题：Java多线程并发编程中的锁优化策略

Question

在Java多线程并发编程场景下，会面临锁竞争带来的性能问题。请阐述常见的锁优化策略，如偏向锁、轻量级锁的原理，以及在实际项目中如何根据业务场景选择合适的锁优化方案，提高系统并发性能。

Answer 1

常见锁优化策略原理

1. 偏向锁
   • 原理：偏向锁的设计目的是为了在无竞争的情况下，减少传统锁使用中因为锁获取和释放带来的性能消耗。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头的Mark Word中记录该线程的ID，表示此锁偏向于该线程。之后该线程再次进入同步块时，无需再次进行CAS操作来获取锁，只需要检查对象头Mark Word中的线程ID是否是自己的ID。如果是，则直接进入同步块；如果不是，才会撤销偏向锁，升级为轻量级锁。
2. 轻量级锁
   • 原理：轻量级锁是在偏向锁竞争加剧时的一种优化方案。当偏向锁升级为轻量级锁时，线程在自己的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），将对象头的Mark Word复制到锁记录中，然后尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，该线程就获得了锁；如果失败，表示存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。

根据业务场景选择合适的锁优化方案

1. 偏向锁适用场景
   • 场景：适用于大多数情况下只有一个线程访问同步块的场景。例如，单线程执行的初始化操作，或者在一个几乎无竞争的系统环境中，偏向锁可以显著减少锁获取和释放的开销，提高系统性能。
2. 轻量级锁适用场景
   • 场景：适用于竞争较轻微的场景，即多个线程交替访问同步块，但不会同时竞争同一把锁。在这种场景下，轻量级锁通过CAS操作来获取锁，避免了重量级锁的线程阻塞和唤醒带来的性能开销，能有效提高并发性能。
3. 重量级锁适用场景
   • 场景：当锁竞争非常激烈，即多个线程同时竞争同一把锁时，轻量级锁的自旋操作会消耗大量CPU资源，此时重量级锁通过操作系统的线程调度和阻塞机制，能避免过多的自旋开销，更适合这种高竞争场景。

在实际项目中，需要对业务场景的并发情况进行分析和测试，根据锁竞争的激烈程度来选择合适的锁优化方案，以达到提高系统并发性能的目的。同时，还可以结合其他并发编程优化手段，如线程池的合理使用、减少锁的粒度等，进一步提升系统性能。