《面试1v1》synchronized

2023-05-31 20:26 由 JavaPub 发表于 #后端开发

源码都背下来了，你给我看这

我是 javapub，一名 Markdown 程序员从👨‍💻，八股文种子选手。

面试官：你好，我看到你的简历上写着你熟悉 Java 中的 "synchronized" 关键字。你能给我讲讲它的作用吗？

候选人： 当然，"synchronized" 是 Java 中的一个关键字，用于实现同步机制。它可以用来修饰方法或代码块，以确保在同一时间只有一个线程可以访问被修饰的代码。

面试官：很好。那么，你能举个例子来说明 "synchronized" 关键字的使用方法吗？

候选人： 当然。你可以使用 "synchronized" 关键字来修饰方法或代码块。例如，你可以这样使用：

public synchronized void doSomething() {
    // ...
}

在上面的代码中，"synchronized" 关键字修饰了 "doSomething()" 方法。这意味着在同一时间只有一个线程可以访问该方法。

面试官：很好。那么，如果我想修饰一个代码块，应该怎么做呢？

候选人： 你可以这样使用 "synchronized" 关键字来修饰一个代码块：

public void doSomething() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

在上面的代码中，"synchronized" 关键字修饰了一个代码块，该代码块使用 "this" 作为锁对象。这意味着在同一时间只有一个线程可以访问该代码块。

面试官：很好。那么，你能解释一下 "synchronized" 关键字的实现原理吗？

候选人： 当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的方法或代码块时，它会尝试获取该对象的监视器锁。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程将被阻塞，直到该锁被释放。下面是一个使用 "synchronized" 关键字的示例：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

在上面的代码中，"increment()"、"decrement()" 和 "getCount()" 方法都被 "synchronized" 关键字修饰。这意味着在同一时间只有一个线程可以访问这些方法。

面试官：很好，你对 "synchronized" 关键字的理解很清晰。那么，你能告诉我 "synchronized" 关键字的缺点吗？

候选人： 当然。使用 "synchronized" 关键字会带来一些性能上的开销，因为每个线程都需要获取锁才能访问被修饰的代码。此外，如果使用不当，还可能会导致死锁等问题。

面试官：那么，你能告诉我如何避免 "synchronized" 关键字带来的性能开销吗？

候选人： 当然。一种方法是使用 "volatile" 关键字来修饰变量，这可以确保变量的可见性，而不需要使用锁。另一种方法是使用 "java.util.concurrent" 包中的并发集合类，例如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等，这些类使用了更高效的同步机制，可以避免 "synchronized" 关键字带来的性能开销。

面试官：很好，你的回答很不错。那么，你能告诉我 "synchronized" 关键字和 "Lock" 接口之间的区别吗？

候选人： 当然。 "synchronized" 关键字是 Java 中内置的同步机制，它可以用来修饰方法或代码块，使用起来比较简单，但是它的性能开销比较大。而 "Lock" 接口是 Java 中提供的一种更加灵活的同步机制，它可以实现更细粒度的锁控制，例如可重入锁、读写锁等，使用起来比较复杂，但是它的性能开销比较小。

面试官：很好，你的回答很清晰。那么，你有没有使用过 "Lock" 接口呢？

候选人： 是的，我有使用过 "Lock" 接口。例如，我曾经使用过 ReentrantLock 类来实现可重入锁，这可以避免 "synchronized" 关键字的性能开销，并且可以实现更细粒度的锁控制。

面试官：很好，你的经验很丰富。那么，你能告诉我 "Lock" 接口的一些特点吗？

候选人： 当然。 "Lock" 接口的一些特点包括：

可以实现更细粒度的锁控制，例如可重入锁、读写锁等。
可以实现公平锁和非公平锁。
可以实现超时锁和可中断锁。
可以实现多个条件变量，可以更加灵活地控制线程的等待和唤醒。

面试官：那么，你能告诉我 "synchronized" 关键字和 "volatile" 关键字之间的区别吗？

候选人： 当然。 "synchronized" 关键字和 "volatile" 关键字都可以用来实现多线程之间的同步，但是它们的作用不同。 "synchronized" 关键字可以确保在同一时间只有一个线程可以访问被修饰的代码，而 "volatile" 关键字可以确保变量的可见性，即当一个线程修改了变量的值后，其他线程可以立即看到这个修改。

面试官：看来你使用的很好，下面问一点深入的东西。回答不上来也没关系，可以自己想想。

面试官：好的，那么你能够从 "synchronized" 的底层 Java 实现角度，解释一下它的实现原理吗？

候选人： 当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的方法或代码块时，它会尝试获取该对象的监视器锁。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程将被阻塞，直到该锁被释放。在 Java 中，每个对象都有一个监视器锁，也称为内部锁或互斥锁。当一个线程获取了一个对象的监视器锁后，其他线程就无法访问该对象的被 "synchronized" 关键字修饰的方法或代码块，直到该锁被释放。

在 Java 中，"synchronized" 关键字的实现是基于对象头中的标记字。当一个对象被锁定时，它的标记字会被设置为锁定状态，当锁被释放时，标记字会被清除。在 Java 6 及之前的版本中，对象头中的标记字是 32 位的，其中 25 位用于存储对象的哈希码，4 位用于存储对象的分代年龄，2 位用于存储锁标志位，1 位用于存储是否是偏向锁。在 Java 7 及之后的版本中，对象头中的标记字被重新设计，其中 32 位用于存储对象的哈希码和分代年龄，而锁标志位则被存储在一个单独的数据结构中。

面试官：很好，你的回答很详细。那么，你能够给我讲讲 "synchronized" 关键字的优化策略吗？

候选人： 当然。在 Java 中，"synchronized" 关键字的性能开销比较大，因为每个线程都需要获取锁才能访问被修饰的代码。为了优化 "synchronized" 关键字的性能，Java 6 及之后的版本中引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁等优化策略。

偏向锁是一种针对单线程访问同步块的优化策略。当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的代码块时，它会尝试获取该对象的偏向锁。如果该锁没有被其他线程持有，则该线程可以直接获取该锁，而无需进行同步操作。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程会尝试升级为轻量级锁或重量级锁。

轻量级锁是一种针对多线程访问同步块的优化策略。当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的代码块时，它会尝试获取该对象的轻量级锁。如果该锁没有被其他线程持有，则该线程可以直接获取该锁，而无需进行同步操作。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程会尝试自旋等待该锁的释放。

重量级锁是一种针对多线程访问同步块的默认策略。当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的代码块时，它会尝试获取该对象的重量级锁。如果该锁没有被其他线程持有，则该线程可以直接获取该锁，而无需进行同步操作。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程会被阻塞，直到该锁被释放。

面试官：很好，你的回答很详细。那么，你能够给我讲讲 "synchronized" 关键字的底层 Java 源码实现吗？

候选人： 当然。在 Java 中，"synchronized" 关键字的底层实现是通过 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的。当一个线程访问一个被 "synchronized" 关键字修饰的方法或代码块时，它会尝试获取该对象的监视器锁，这可以通过 monitorenter 指令来实现。当该线程执行完被 "synchronized" 关键字修饰的方法或代码块后，它会释放该对象的监视器锁，这可以通过 monitorexit 指令来实现。

参考底层指令：

以下是 JVM 中与 "synchronized" 相关的源码：

monitorenter 指令的实现：

void Interpreter::monitorenter() {
  oop obj = stack_top().get_obj(); // 获取栈顶元素，即被锁定的对象
  if (obj == NULL) { // 如果对象为空，则抛出 NullPointerException 异常
    THROW(vmSymbols::java_lang_NullPointerException());
  }
  BasicLock* lock = obj->mark()->lock(); // 获取对象的锁
  if (lock->displaced_header() == NULL) { // 如果锁没有被其他线程持有，则尝试获取锁
    // Fast path: lock is unheld, try to acquire it
    if (lock->displaced_header() == NULL &&
        lock->displaced_owner() == NULL &&
        lock->set_displaced_header()) {
      // Lock acquired
      return; // 获取锁成功，直接返回
    }
  }
  // Slow path: lock is held or contention detected
  InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, obj); // 获取锁失败，调用 InterpreterRuntime::monitorenter() 方法进行同步操作
}

在上面的代码中，monitorenter 指令的实现是通过获取对象的锁来实现的。如果该锁没有被其他线程持有，则该线程可以直接获取该锁，而无需进行同步操作。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程会尝试升级为轻量级锁或重量级锁。

monitorexit 指令的实现：

void Interpreter::monitorexit() {
  oop obj = stack_top().get_obj(); // 获取栈顶元素，即被锁定的对象
  if (obj == NULL) { // 如果对象为空，则抛出 NullPointerException 异常
    THROW(vmSymbols::java_lang_NullPointerException());
  }
  BasicLock* lock = obj->mark()->lock(); // 获取对象的锁
  if (lock->displaced_header() == THREAD) { // 如果锁被当前线程持有，则直接释放锁
    // Fast path: lock is held by this thread, release it
    lock->clear_displaced_header();
    return; // 释放锁成功，直接返回
  }
  // Slow path: lock is held by another thread or unheld
  InterpreterRuntime::monitorexit(THREAD, obj); // 释放锁失败，调用 InterpreterRuntime::monitorexit() 方法进行同步操作
}

在上面的代码中，monitorexit 指令的实现是通过释放对象的锁来实现的。如果该锁被当前线程持有，则该线程可以直接释放该锁，而无需进行同步操作。如果该锁被其他线程持有，则该线程会被阻塞，直到该锁被释放。

ObjectMonitor 类的实现：

class ObjectMonitor : public CHeapObj<mtSynchronizer> {
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile intptr_t _header; // 对象头，用于存储锁状态和其他信息
  volatile intptr_t _count; // 计数器，用于记录重入次数
  volatile intptr_t _waiters; // 等待队列长度，用于记录等待锁的线程数
  volatile intptr_t _recursions; // 递归深度，用于记录当前线程已经获取锁的次数
  volatile intptr_t _object; // 对象指针，指向被锁定的对象
  volatile intptr_t _owner; // 持有者指针，指向当前持有锁的线程
  volatile intptr_t _WaitSet; // 等待队列头指针，指向等待队列的头节点
  volatile intptr_t _EntryList; // 等待队列尾指针，指向等待队列的尾节点
  volatile intptr_t _cxq; // 等待队列的条件变量，用于支持条件变量的等待和唤醒操作
  volatile intptr_t _FreeNext; // 空闲链表指针，用于回收 ObjectMonitor 对象
  volatile intptr_t _Responsible; // 责任线程指针，用于记录最后一个释放锁的线程
  volatile intptr_t _SpinFreq; // 自旋频率，用于控制自旋等待的时间
  volatile intptr_t _SpinClock; // 自旋时钟，用于记录自旋等待的时间
  volatile intptr_t _SpinDuration; // 自旋持续时间，用于控制自旋等待的时间
  volatile intptr_t _SpinEarly; // 自旋提前量，用于控制自旋等待的时间
  volatile intptr_t _contentions; // 竞争次数，用于记录获取锁的竞争次数
  volatile intptr_t _succ; // 成功次数，用于记录获取锁的成功次数
  volatile intptr_t _cxqWaitTime; // 条件变量等待时间，用于记录条件变量等待的时间
  volatile intptr_t _reserved; // 保留字段，用于未来扩展
  static int _header_offset; // 对象头偏移量，用于访问对象头中的信息
  static int _count_offset; // 计数器偏移量，用于访问计数器中的信息
  static int _waiters_offset; // 等待队列长度偏移量，用于访问等待队列长度中的信息
  static int _recursions_offset; // 递归深度偏移量，用于访问递归深度中的信息
  static int _object_offset; // 对象指针偏移量，用于访问对象指针中的信息
  static int _owner_offset; // 持有者指针偏移量，用于访问持有者指针中的信息
  static int _WaitSet_offset; // 等待队列头指针偏移量，用于访问等待队列头指针中的信息
  static int _EntryList_offset; // 等待队列尾指针偏移量，用于访问等待队列尾指针中的信息
  static int _cxq_offset; // 条件变量偏移量，用于访问条件变量中的信息
  static int _FreeNext_offset; // 空闲链表指针偏移量，用于访问空闲链表指针中的信息
  static int _Responsible_offset; // 责任线程指针偏移量，用于访问责任线程指针中的信息
  static int _SpinFreq_offset; // 自旋频率偏移量，用于访问自旋频率中的信息
  static int _SpinClock_offset; // 自旋时钟偏移量，用于访问自旋时钟中的信息
  static int _SpinDuration_offset; // 自旋持续时间偏移量，用于访问自旋持续时间中的信息
  static int _SpinEarly_offset; // 自旋提前量偏移量，用于访问自旋提前量中的信息
  static int _contentions_offset; // 竞争次数偏移量，用于访问竞争次数中的信息
  static int _succ_offset; // 成功次数偏移量，用于访问成功次数中的信息
  static int _cxqWaitTime_offset; // 条件变量等待时间偏移量，用于访问条件变量等待时间中的信息
  static int _reserved_offset; // 保留字段偏移量，用于访问保留字段中的信息
  ...
};

在上面的代码中，ObjectMonitor 类是 JVM 中与 "synchronized" 相关的核心类之一。它包含了对象的监视器锁的状态信息，例如锁的持有者、等待队列、递归深度等。在 Java 中，每个对象都有一个 ObjectMonitor 对象与之对应，用于实现 "synchronized" 关键字的同步机制。

面试官：很好，你的回答很全面，你已进入候补名单。有消息会通知你。

候选人： 源码都背下来了，你给我看这。

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