面试题 - synchronized 和Lock区别_synchronized和lock区别面试-优快云博客

本文详细对比了synchronized和Lock两种Java锁机制的区别，包括用法、异常处理、阻塞特性等，并介绍了synchronized的实现原理及其在JDK1.6中的优化措施。

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一、synchronized和lock的区别（8点）

来源及用法：
lock是一个接口，是java写的控制锁的代码，而synchronized是java的一个内置关键字，synchronized是托管给JVM执行的；
synchronized：在需要同步的对象中加入此控制，synchronized可以加在方法上，也可以加在特定代码块中，括号中表示需要锁的对象。
lock：一般使用ReentrantLock类做为锁。在加锁和解锁处需要通过lock()和unlock()显示指出。所以一般会在finally块中写unlock()以防死锁。
异常是否释放锁：
synchronized在发生异常时候会自动释放占有的锁，因此不会出现死锁；而lock发生异常时候，不会主动释放占有的锁，必须手动unlock来释放锁，可能引起死锁的发生。（所以最好将同步代码块用try catch包起来，finally中写入unlock，避免死锁的发生。）
是否响应中断
lock等待锁过程中可以用interrupt来中断等待，而synchronized只能等待锁的释放，不能响应中断；
是否阻塞
Lock可以尝试获取锁，synchronized获取不到锁只能一直阻塞
synchronized关键字的两个线程1和线程2，如果当前线程1获得锁，线程2线程等待。如果线程1阻塞，线程2则会一直等待下去，而Lock锁就不一定会等待下去，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了；
锁特点
synchronized的锁可重入、不可中断、非公平，而Lock锁可重入、等待时可中断、可判断、可公平可非公平
性能差别
1.在Java1.5中，synchronize是性能低效的。因为这是一个重量级操作，需要调用操作接口，导致有可能加锁消耗的系统时间比加锁以外的操作还多。相比之下使用Java提供的Lock对象，性能更高一些。但是到了Java1.6，发生了变化。synchronize在语义上很清晰，可以进行很多优化，有适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在Java1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地。
如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。而且Lock可以提高多个线程进行读写操作的效率。（可以通过readwritelock实现读写分离）
等待通知
synchronized使用Object对象本身的wait 、notify、notifyAll调度机制，而Lock可以使用Condition进行线程之间的调度

//Condition定义了等待/通知两种类型的方法
Lock lock=new ReentrantLock();
Condition condition=lock.newCondition();
...
condition.await();
...
condition.signal();
condition.signalAll();

锁机制
1.synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。
2.Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作（Compare and Swap）。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState。这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。

现代的CPU提供了指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法，意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。

二、synchronized实现原理

Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：

普通同步方法，锁是当前实例对象
静态同步方法，锁是当前类的class对象
同步方法块，锁是括号里面的对象
当一个线程访问同步代码块时，它首先是需要得到锁，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：

public class SynchronizedTest {

    public synchronized void test1(){

    }
    public void test2(){
        synchronized (this){

        }
    }
}

利用javap工具（javap是java编译之后的class文件的分解器）查看生成的class文件信息来分析Synchronized的实现
在这里插入图片描述

从上面可以看出，同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，同步方法（在这看不出来需要看JVM底层实现）依靠的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。

同步代码块：monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当且一个monitor被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；【摘自并发编程艺术】

同步方法：synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

三、jdk1.6JVM中锁的优化

简单来说在jdk1.5 JVM中monitorenter和monitorexit字节码依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的；然而在现实中的大部分情况下，同步方法是运行在单线程环境（无锁竞争环境）如果每次都调用Mutex Lock那么将严重的影响程序的性能。不过在jdk1.6中对锁的实现引入了大量的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、**适应性自旋（Adaptive Spinning）**等技术来减少锁操作的开销。

自旋锁与自适应自旋（Adaptive Spinning）：如果同步代码执行非常快，下一个线程不放弃cpu资源稍等一下就有机会获取锁，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。
锁消除（Lock Elimination）：通过运行时JIT编译器的逃逸分析来消除一些没有在当前同步块以外被其他线程共享的数据的锁保护，通过逃逸分析也可以在线程本地Stack上进行对象空间的分配（同时还可以减少Heap上的垃圾收集开销）。
例子1.1:

  public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
        return s1 + s2 + s3;
    }

javac编译对String连接会做优化，jdk1.5之前会转换为StringBuffer对象的连续append()操作，jdk1.5及以后，会转换为StringBuilder对象的连续append()操作
编译后：

 public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        sb.append(s3);
        return sb.toString();
    }

每个StringBuffer 的append()方法中都有一个同步块，锁就是sb对象，sb的所有引用永远不会“逃逸”到concatString（）方法之外，其他线程无法访问到它，因此，这里虽然有锁，但可以被安全的消除掉，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有同步而直接执行了。

锁粗化（Lock Coarsening）：也就是减少不必要的紧连在一起的lock，unlock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。
如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，以例子1.1为例，就是扩展到第一个append()操作之前直至最后一个append()操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
轻量级锁（Lightweight Locking）：这种锁实现的背后基于这样一种假设，即在真实的情况下我们程序中的大部分同步代码一般都处于无锁竞争状态（即单线程执行环境），在无锁竞争的情况下完全可以避免调用操作系统层面的重量级互斥锁，取而代之的是在monitorenter和monitorexit中只需要依靠一条CAS原子指令就可以完成锁的获取及释放。当存在锁竞争的情况下，执行CAS指令失败的线程将调用操作系统互斥锁进入到阻塞状态，当锁被释放的时候被唤醒

在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
在这里插入图片描述

偏向锁（Biased Locking）：是为了在无锁竞争的情况下避免在锁获取过程中执行不必要的CAS原子指令，因为CAS原子指令虽然相对于重量级锁来说开销比较小但还是存在非常可观的本地延迟，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。

假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX：+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。
当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡性质的优化，也就是说，它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的
在这里插入图片描述

参考：
https://blog.youkuaiyun.com/hefenglian/article/details/82383569
https://www.cnblogs.com/javaminer/p/3889023.html
https://www.cnblogs.com/iyyy/p/7993788.html
https://blog.youkuaiyun.com/Blanchedingding/article/details/86026684