面经之一：Synchronized与ReentrantLock区别

Synchronized与ReentrantLock是Java中用于实现线程同步的两种主要机制，它们各有特点和适用场景。以下是它们的主要区别：

1. 实现方式：

   • Synchronized：是Java语言内置的关键字，通过JVM层面的监视器（Monitor）实现，隐式锁，自动管理锁的获取和释放。
   • ReentrantLock：是Java类库中的一个类，通过显式调用lock()和unlock()方法来获取和释放锁，需要手动管理锁的生命周期。

2. 锁的获取与释放：

   • Synchronized：自动管理锁的获取和释放，无需显式代码。
   • ReentrantLock：需要显式调用lock()方法获取锁，调用unlock()方法释放锁，如果忘记释放锁，可能会导致死锁。

3. 中断响应：

   • Synchronized：无法响应中断，如果线程在等待锁，只能等待直到获得锁。
   • ReentrantLock：支持中断响应，等待锁的线程可以响应中断请求，避免无限等待。

4. 公平性：

   • Synchronized：默认是非公平锁，不保证等待时间最长的线程优先获取锁。
   • ReentrantLock：可以配置为公平锁或非公平锁，公平锁会按照线程请求锁的顺序来分配锁。

5. 性能：

   • Synchronized：在JDK 6之后进行了大量优化，性能与ReentrantLock相当，但在高并发环境下，ReentrantLock可能表现更好。
   • ReentrantLock：在高并发环境下，性能相对稳定，但在低并发环境下，性能可能不如synchronized。

6. 功能扩展：

   • Synchronized：功能相对简单，主要用于基本的同步需求。
   • ReentrantLock：提供了更多的功能，如定时锁等待、可中断的锁等待、公平性等，适用于更复杂的同步需求。

7. 使用场景：

   • Synchronized：适用于大多数简单的同步场景，代码简洁易懂，易于维护。
   • ReentrantLock：适用于需要高级同步功能的场景，如需要中断响应、公平锁、定时锁等待等。

8. 调试与监控：

   • Synchronized：JVM提供了线程转储信息，便于调试和监控。
   • ReentrantLock：JVM对ReentrantLock的支持不如synchronized，调试和监控信息较少。

选择使用Synchronized还是ReentrantLock取决于具体的应用场景和需求。对于简单的同步需求，Synchronized是首选；对于需要高级同步功能的复杂场景，ReentrantLock可能更为合适。

Synchronized和ReentrantLock在JDK 8及以后版本中的性能比较如何？

在JDK 8及以后版本中，Synchronized和ReentrantLock的性能比较如下：

1. JDK 6之前的版本：在JDK 5及之前，ReentrantLock的性能通常优于synchronized。这是因为当时synchronized存在较大的优化空间，而ReentrantLock提供了更高级的功能和更好的性能。

2. JDK 6及以后的版本：随着JDK 6的发布，对synchronized进行了大量优化，使得其性能得到了显著提升。从JDK 6开始，synchronized和ReentrantLock的性能差距已经不大。在高竞争环境下，ReentrantLock仍然可能提供更好的性能，但在简单同步场景下，synchronized的自动释放锁特性可能更加方便。

3. JDK 8及以后的版本：在JDK 8及以后的版本中，两者在性能上的差异已经不明显。选择synchronized还是ReentrantLock更多地取决于具体的应用场景和需求，例如ReentrantLock提供的中断等待、公平锁等高级功能可能在某些情况下更有优势。

ReentrantLock的公平锁和非公平锁在实际应用中的性能差异有多大？

ReentrantLock的公平锁和非公平锁在实际应用中的性能差异显著。非公平锁通常比公平锁具有更高的性能，原因在于非公平锁允许线程抢占锁，从而减少了系统上下文切换的次数，提高了吞吐量。非公平锁在获取锁时会直接尝试一次CAS修改同步状态，不会考虑队列中是否有等待的线程，如果修改成功则立即获得锁。这种机制使得非公平锁在高并发环境下表现更优。

相比之下，公平锁保证了按照线程请求的顺序来分配锁，这在某些情况下可能更符合公平性要求，但会带来额外的开销，导致性能下降。公平锁在长时间持有锁或平均时间间隔较长的情况下效果最佳。然而，除非有特殊需求，否则默认情况下推荐使用非公平锁，因为它能提供更高的性能。

如何在高并发环境下优化Synchronized的性能？

在高并发环境下优化synchronized的性能，可以通过以下几种策略来实现：

1. 锁膨胀机制：锁膨胀是synchronized在JDK 1.6版本中引入的一种优化机制。它通过从无锁状态、偏向锁、轻量级锁到重量级锁的过程，逐步提升执行效率。在大多数情况下，偏向锁和轻量级锁可以显著提高性能。

2. 自适应自旋锁：自适应自旋锁是synchronized关键字自身的优化实现之一。它会根据历史数据动态调整自旋次数，从而减少线程在等待锁时的空闲时间，提高并发性能。

3. 锁消除：锁消除是JVM虚拟机对synchronized提供的优化方案之一。JVM会在编译阶段分析代码，如果发现某些锁是不必要的，就会将其消除，从而减少锁的开销。

4. 锁粗化：锁粗化也是JVM虚拟机提供的优化方案。它会将多个连续的锁操作合并为一个锁操作，从而减少锁的次数和开销。

ReentrantLock提供的定时锁等待和可中断的锁等待功能的具体实现和使用场景是什么？

ReentrantLock 提供了定时锁等待和可中断的锁等待功能，这些功能在多线程编程中非常有用，特别是在需要更灵活的锁控制和高级同步策略时。

1. 定时锁等待：ReentrantLock 提供了 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法，该方法允许线程尝试获取锁，并在指定的时间内等待。如果在这段时间内锁被其他线程释放，或者当前线程被中断，则该方法会返回 false，表示没有成功获取锁。这种机制使得线程可以在等待锁时设置一个超时时间，避免无限期地阻塞。

2. 可中断的锁等待：ReentrantLock 提供了 lockInterruptibly() 方法，该方法使得线程在等待锁时可以响应中断请求。这意味着如果一个线程正在通过 lockInterruptibly() 方法等待锁，而该线程被中断，则它会抛出一个 InterruptedException，从而允许线程处理中断事件并继续执行其他任务。

这些功能的使用场景包括：

• 避免死锁：在复杂的多线程环境中，使用定时锁等待和可中断的锁等待功能可以帮助避免死锁的发生。例如，当一个线程长时间持有锁而没有释放时，其他等待该锁的线程可以选择放弃等待并执行其他任务，从而避免了死锁的情况。

• 提高性能：相比于传统的 synchronized 关键字，ReentrantLock 在某些情况下可以提供更好的性能。特别是在高并发场景下，通过合理使用定时锁等待和可中断的锁等待功能，可以减少不必要的阻塞和等待时间，从而提高系统的整体性能。

• 更复杂的同步策略：ReentrantLock 提供的高级功能使得开发者可以实现更复杂的同步策略，例如公平队列锁、非阻塞式锁等。这些高级功能在需要严格控制线程同步行为的场景下非常有用。

对于复杂的同步需求，ReentrantLock相比Synchronized有哪些额外的优势？

对于复杂的同步需求，ReentrantLock相比Synchronized有以下几个额外的优势：

1. 更多的方法和功能：ReentrantLock提供了更多的方法，如lockInterruptibly()、tryLock()等，这些方法使得ReentrantLock在处理复杂的同步需求时更加灵活和强大。

2. 支持公平锁：ReentrantLock可以实现公平锁和非公平锁，而Synchronized则没有这种区分。公平锁可以保证线程按照请求锁的顺序来获取锁，这对于某些需要按序执行的场景非常有用。

3. 中断响应：ReentrantLock支持中断响应，即在等待锁的过程中可以响应中断请求，而Synchronized则不具备这一特性。

4. 超时等待：ReentrantLock支持超时等待，即在尝试获取锁时可以指定一个等待时间，如果在该时间内未能获取到锁，则会返回失败。这在需要控制等待时间的场景中非常有用。

5. 更灵活的控制能力：ReentrantLock提供了非阻塞锁获取、中断响应及公平锁机制等高级功能，这些功能使得ReentrantLock在处理复杂的同步需求时更加灵活和强大。

6. 基于AQS和CAS算法实现：ReentrantLock是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）和CAS（Compare-And-Swap）算法实现的，这使得它在性能上可能优于Synchronized。