Synchronized与ReentrantLock深入剖析：从表层到底层

Asthenian
287 阅读7分钟

Synchronized与ReentrantLock深入剖析：从表层到底层

在Java并发编程中，synchronized和ReentrantLock是两种最常用的锁机制，它们在多线程环境下保障线程安全。面试官常常通过这两个锁作为切入点，考察候选人对Java并发机制（JUC）的理解深度。本文将从表层比较开始，逐步深入到锁的底层实现，剖析synchronized的锁升级、对象头Mark Word、互斥锁系统调用，以及ReentrantLock背后的AQS结构、模板方法和CAS机制，展示清晰的知识体系和逻辑脉络。

一、Synchronized与ReentrantLock的表层比较

1.1 基本概念

  • Synchronized：Java关键字，内置锁机制，基于JVM实现，适用于方法或代码块的同步。自动获取和释放锁，简单易用。
  • ReentrantLock：JUC包中的显式锁，基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现，提供更灵活的功能，如公平锁、条件变量等。

1.2 异同点比较

以下是两者在功能、性能和使用场景上的对比：

特性SynchronizedReentrantLock
锁类型内置锁（JVM级别）显式锁（Java API级别）
可重入性支持（同一个线程可多次获取锁）支持（基于计数器实现）
公平性非公平锁（可能导致线程饥饿）可选公平锁或非公平锁
灵活性自动获取/释放锁，功能简单支持tryLock、lockInterruptibly等高级功能
条件变量单一等待队列（wait/notify）支持多个Condition对象
中断响应不支持锁中断支持（lockInterruptibly）
性能JDK 6后优化（锁升级机制），性能接近ReentrantLock高并发场景下，非公平锁性能略优
使用场景简单同步场景（如方法级别同步）复杂场景（需要公平锁、条件变量、超时机制）

1.3 选择建议

  • Synchronized：适合简单场景，代码简洁，JVM优化成熟，推荐用于低并发或简单同步。
  • ReentrantLock：适合复杂场景，如需要公平锁、条件变量或中断响应，推荐用于高并发或复杂逻辑。

二、Synchronized的底层实现

synchronized的实现依赖JVM和操作系统的互斥机制，核心在于对象头（Mark Word）和锁升级机制。

2.1 对象头与Mark Word

Java对象在内存中由三部分组成：对象头、实例数据和对齐填充。对象头包含：

  • Mark Word：存储锁状态、哈希码、GC标记等。
  • Class Metadata Address：指向类的元数据。

Mark Word的结构（64位JVM）：

状态Mark Word结构（64位）
无锁`hash:31
偏向锁`thread:54
轻量级锁`ptr_to_lock_record:62
重量级锁`ptr_to_monitor:62
  • lock字段：2位标志锁状态（01: 无锁/偏向锁，00: 轻量级锁，10: 重量级锁）。
  • biased_lock：1位标志是否启用偏向锁。
  • thread：偏向锁记录持有锁的线程ID。
  • ptr_to_lock_record：轻量级锁指向栈中的锁记录。
  • ptr_to_monitor：重量级锁指向Monitor对象。

2.2 锁升级过程

为了提高性能，synchronized采用锁升级机制，从无锁逐步升级到重量级锁：

  1. 无锁：对象刚创建，无线程竞争。

  2. 偏向锁：

    • 启用条件：只有一个线程访问同步块。
    • 实现：Mark Word记录线程ID，线程再次进入无需CAS。
    • 开销：极低，仅需检查线程ID。
    • 撤销：其他线程竞争时，暂停持有锁的线程，升级为轻量级锁。

  3. 轻量级锁：

    • 启用条件：多个线程交替竞争，但无激烈争用。
    • 实现：线程在栈中创建Lock Record，尝试用CAS将Mark Word替换为Lock Record指针。
    • 开销：CAS操作，低于重量级锁。
    • 升级：竞争加剧（如自旋失败），升级为重量级锁。

  4. 重量级锁：

    • 启用条件：激烈竞争，线程需要阻塞。
    • 实现：JVM创建Monitor对象，Mark Word指向Monitor，线程进入等待队列。
    • 开销：高，涉及系统调用（如Linux的futex）。

2.3 互斥锁的系统调用

重量级锁依赖操作系统内核的互斥锁（Mutex）。在Linux上，JVM通过futex（Fast Userspace Mutex）系统调用实现：

  • 加锁：调用futex检查锁状态，若锁被占用，线程进入内核态等待。
  • 释放锁：调用futex唤醒等待线程。
  • 开销：用户态到内核态切换，上下文切换成本高。

三、ReentrantLock的底层实现

ReentrantLock基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer），通过CAS和队列实现高效锁机制。

3.1 AQS核心结构

AQS是一个同步框架，核心组件包括：

  • state：同步状态（int类型，ReentrantLock中表示锁的重入次数）。
  • CLH队列：双向链表，存储等待线程（Node对象）。
  • Node：队列节点，包含线程、等待状态（SHARED/EXCLUSIVE）等。

AQS提供两种模式：

  • 独占模式：如ReentrantLock，一次只有一个线程持有锁。
  • 共享模式：如Semaphore，允许多个线程共享资源。

3.2 ReentrantLock的实现

ReentrantLock通过内部类Sync（继承AQS）实现锁逻辑：

  • 非公平锁（NonfairSync） ：

    • 线程直接尝试CAS获取锁（compareAndSetState），成功则持有锁，失败则入队。
    • 优点：减少上下文切换，提高吞吐量。
    • 缺点：可能导致线程饥饿。

  • 公平锁（FairSync） ：

    • 检查队列是否有等待线程（hasQueuedPredecessors），若有则入队，否则尝试获取锁。
    • 优点：保证先来先得，减少饥饿。
    • 缺点：频繁检查队列，性能略低。

加锁流程：

  1. 调用lock()，尝试通过CAS设置state（0->1）。
  2. 若成功，设置当前线程为锁持有者。
  3. 若失败，加入CLH队列，线程挂起（LockSupport.park）。
  4. 锁释放时，唤醒队列头部线程（LockSupport.unpark）。

重入性：

  • 若同一线程再次加锁，state递增（state++）。
  • 释放锁时，state递减，直到state=0才完全释放。

3.3 模板方法模式

AQS采用模板方法模式，将锁的具体逻辑交给子类实现：

  • 核心方法：

    • tryAcquire：尝试获取锁（子类实现）。
    • tryRelease：尝试释放锁（子类实现）。
    • acquireQueued：入队并等待（AQS实现）。

  • ReentrantLock实现：

    • NonfairSync.tryAcquire：非公平尝试获取锁。
    • FairSync.tryAcquire：检查队列后尝试获取锁。

3.4 CAS机制

CAS（Compare-And-Swap）是ReentrantLock的核心原子操作，基于硬件指令（如cmpxchg）：

  • 原理：比较内存值与预期值，若相等则更新为新值。

  • 实现：Java通过Unsafe类的compareAndSwapInt调用本地方法。

  • 问题：

    • ABA问题：值从A->B->A，可能掩盖变化。AQS通过state单调递增避免。
    • 自旋开销：CAS失败时可能多次重试，消耗CPU。

  • 优化：AQS结合队列和LockSupport，减少无谓自旋。

四、知识体系与脉络

通过synchronized和ReentrantLock的剖析，我们可以构建以下JUC知识体系：

  1. 锁机制：

    • synchronized：JVM内置锁，依赖对象头和Monitor。
    • ReentrantLock：AQS实现的显式锁，灵活性强。

  2. 并发原语：

    • CAS：原子操作，ReentrantLock和AQS的核心。
    • LockSupport：线程阻塞与唤醒，AQS队列管理的基础。

  3. 锁优化：

    • synchronized：偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
    • ReentrantLock：公平/非公平锁、条件变量。

  4. 底层支撑：

    • 对象头（Mark Word）：锁状态存储。
    • 系统调用（futex）：重量级锁的内核支持。
    • AQS：JUC的核心框架，支撑ReentrantLock、Semaphore等。

面试应对脉络：

  • 表层：从功能比较入手，清晰说明两者的异同和使用场景。
  • 中层：深入锁升级（synchronized）和AQS（ReentrantLock），展示对机制的理解。
  • 底层：剖析Mark Word、系统调用、CAS等，体现对JVM和操作系统的掌握。
  • 扩展：结合JUC其他组件（如Condition、CountDownLatch），展示知识广度。

五、总结

synchronized和ReentrantLock各有千秋，前者简单高效，适合简单场景；后者灵活强大，适合复杂并发逻辑。通过锁升级、Mark Word、AQS、CAS等底层机制的剖析，我们不仅理解了两者的实现原理，还构建了从表层到底层的JUC知识体系。在面试中，清晰的逻辑、深入的分析和全面的知识脉络将帮助你从容应对面试官的“拷打”。

avatar
文章
阅读
粉丝