面试题：深入理解Java线程安全与竞争条件下的锁优化策略

Question

在高并发的Java应用中，线程安全与竞争条件处理不当会严重影响性能。请深入阐述Java中各种锁机制（如synchronized、ReentrantLock等），并说明在不同竞争激烈程度的场景下，如何对锁进行优化以提升性能。例如，如何通过锁粗化、锁消除、偏向锁、轻量级锁等技术来优化锁的使用，同时分析这些优化策略的适用场景及潜在风险。

Answer 1

Java中的锁机制

1. synchronized：
   • 原理：是Java的内置关键字，基于JVM实现。当一个线程访问同步代码块时，它首先获取对象的监视器（monitor），其他线程若想进入该同步代码块，必须等待前一个线程释放监视器。
   • 特性：可修饰方法（实例方法、静态方法）和代码块。修饰实例方法时，锁对象是当前实例；修饰静态方法时，锁对象是类的Class对象；修饰代码块时，锁对象是指定的对象。
   • 缺点：是一种重量级锁，获取和释放锁开销较大，在高竞争场景下性能较差。
2. ReentrantLock：
   • 原理：基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架实现。线程获取锁时，会尝试修改AQS的状态变量，如果成功则获取锁，否则进入等待队列。
   • 特性：支持公平锁和非公平锁（默认非公平），公平锁按线程等待顺序获取锁，非公平锁可抢占锁，性能通常比公平锁好；支持锁中断，可中断等待锁的线程；可实现读写锁（ReadWriteLock），允许多个线程同时读，但写操作需独占锁。

锁的优化技术

1. 锁粗化：
   • 原理：将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。例如，在一个循环中多次对同一对象加锁解锁，JVM会将这些操作合并为一次加锁解锁。
   • 适用场景：适用于循环内多次对同一对象加锁的场景，减少频繁加锁解锁的开销。
   • 潜在风险：锁粗化可能导致锁的持有时间变长，影响其他线程对该锁的竞争，在高并发场景下可能降低系统的并发度。
2. 锁消除：
   • 原理：JVM在编译期，通过逃逸分析，判断某段代码中，对象的锁操作是否永远不会被其他线程访问到，如果是，则消除该锁操作。例如，一个方法中创建的对象只在该方法内部使用，对该对象的锁操作可被消除。
   • 适用场景：适用于对象只在方法内部使用且不存在竞争的场景。
   • 潜在风险：逃逸分析技术本身有一定局限性，可能误判，导致不应消除的锁被消除，影响程序的线程安全性。
3. 偏向锁：
   • 原理：当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头中记录该线程ID，以后该线程再次访问该同步块时，无需再次获取锁，直接进入同步块。只有当有其他线程尝试获取锁时，偏向锁才会升级为轻量级锁。
   • 适用场景：适用于只有一个线程频繁访问同步块的场景，可减少锁获取的开销。
   • 潜在风险：若实际应用场景并非单线程频繁访问，而是多线程交替访问，偏向锁的撤销和升级操作会带来额外开销，降低性能。
4. 轻量级锁：
   • 原理：当偏向锁升级时，线程在自己的栈帧中创建锁记录（Lock Record），将对象头中的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。若成功则获取轻量级锁，失败则升级为重量级锁。
   • 适用场景：适用于竞争不太激烈的场景，通过CAS操作避免重量级锁的系统调用开销。
   • 潜在风险：若竞争激烈，CAS操作失败次数增多，导致锁频繁升级为重量级锁，反而增加性能开销。

不同竞争激烈程度场景下的锁优化策略

1. 低竞争场景：
   • 推荐策略：使用偏向锁或轻量级锁，利用它们在低竞争下的低开销优势。启用偏向锁可通过JVM参数 -XX:+UseBiasedLocking 开启。代码中可尽量将同步代码块内的操作优化，减少锁的持有时间。
   • 示例：单线程处理任务的场景，如某些初始化操作，可使用偏向锁提高性能。
2. 中竞争场景：
   • 推荐策略：可考虑使用轻量级锁。同时，可结合锁粗化和锁消除技术，减少不必要的锁操作。例如，将循环内对同一对象的多次同步操作合并为一次（锁粗化），对局部对象的同步操作进行锁消除。
   • 示例：多个线程交替访问同步资源，但竞争不太激烈，如简单的缓存读写操作。
3. 高竞争场景：
   • 推荐策略：使用ReentrantLock，并考虑使用非公平锁以提高吞吐量；还可通过读写锁（ReadWriteLock）来提高读操作的并发度。对于竞争激烈的资源，可尝试使用分段锁技术，将大的资源分成多个段，每个段使用独立的锁，降低锁竞争。
   • 示例：高并发的数据库读写操作，使用读写锁可让读操作并行执行，提高性能。