java面试题-并发关键字(Synchronized，volatile，final)

阳光穿透心脏的1/2处 2023-09-27 14:42 133阅读 0赞

## **Synchronized** ##

### 1.**Synchronized可以作用在哪里?** ###

Synchronized可以作用在方法、代码块、静态方法和类上。

方法

public synchronized void method(){
        //同步代码块
    }

代码块

Object lock = new Object();
    synchronized(lock){
        //同步代码块
    }

静态方法

public static synchronized void staticMethod(){
        //同步代码块
    }

类

Class clazz = MyClass.class;
    synchronized(clazz){
        //同步代码块
    }

### **2.Synchronized本质上是通过什么保证线程安全的?** ###

synchronized关键字的底层实现是基于Java对象头（Object Header）和monitor实现的。

每个Java对象在内存中都有一个对象头，用于存储对象的元数据信息，包括对象的哈希码、锁状态标识、GC标记等。当一个线程访问被synchronized修饰的方法或代码块时，它会先尝试获取该对象的monitor（监视器）。

当一个线程成功获取对象的monitor时，该线程就可以进入临界区（Critical Section）执行同步代码块。在进入临界区之前，线程会将对象的锁状态标识设置为“locked”，表示该对象被当前线程占用，其他线程需要等待。当一个线程执行完同步代码块后，它会释放对象的monitor，同时将对象的锁状态标识设置为“unlocked”，这样其他线程就可以继续竞争该对象的锁，进入临界区执行同步代码块。

在Java 5之后，Java引入了基于锁升级的机制，即在Java对象头中添加了一个字段叫做“Mark Word”，用于记录对象的锁状态和其他信息。当一个线程在获取对象锁时，如果发现对象的锁状态是“unlocked”，则它会尝试使用CAS（Compare-And-Swap）指令将对象的锁状态改为“locked”，从而避免使用操作系统级别的互斥量（Mutex）造成的性能开销。如果CAS指令失败，那么就会使用操作系统级别的互斥量来实现锁，这时会将线程阻塞并放入对象的等待队列中。在Java 6之后，JVM还引入了偏向锁和轻量级锁机制，进一步提高了锁的性能。

总之，synchronized关键字的底层实现是基于Java对象头和monitor实现的，通过获取对象的锁来保证线程安全。随着Java虚拟机技术的不断发展，锁机制也在不断优化和升级，以提高并发性能和降低锁的开销。

### **3.Synchronized使得同时只有一个线程可以执行，性能比较差，有什么提升的方法?** ###

我们可以考虑以下方法：

1.  减小同步块的范围。尽量减小同步块的范围，只保护必要的共享资源，这样可以缩小锁的粒度，减少线程等待和上下文切换的开销。

1.  使用局部变量替换共享变量。在多线程环境下，共享变量的访问比局部变量的访问开销更大。如果某个变量只在某个方法或代码块内部使用，那么就可以使用局部变量来代替共享变量，从而减少同步块的范围。

1.  使用volatile关键字。volatile关键字可以保证变量的可见性和有序性，同时避免了锁的开销，因此可以在一些轻量级的同步场景中使用。

1.  使用Lock接口。Java提供了Lock接口和其实现类ReentrantLock，可以替代synchronized关键字实现同步，Lock接口提供了更丰富的同步机制，比如支持超时和可中断等操作，同时也允许多个线程同时访问共享资源，从而提高了并发性能。

1.  使用原子变量。Java提供了一些原子变量类，比如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，这些变量可以实现一些基本的原子操作，避免了锁的开销，从而提高了并发性能。

### 4.Synchronize有什么样的缺陷? Java Lock是怎么弥补这些缺陷的? ###

Synchronized作为Java中最基本的同步机制，虽然使用简单，但也存在一些缺陷，主要包括以下几个方面：

1.  性能问题：Synchronized的性能相对较低，因为它会导致线程之间频繁地竞争锁资源，从而导致上下文切换和线程阻塞等开销，影响程序的并发性能。

1.  灵活性问题：Synchronized只支持一种锁机制，且不支持可重入、可中断、超时等操作，无法满足一些复杂的同步需求。

1.  可见性问题：Synchronized只能保证共享变量在锁释放时的可见性，而不能保证变量的实时可见性，因此需要配合volatile关键字等其他机制来使用。

为了弥补Synchronized的这些缺陷，Java提供了Lock接口和其实现类，主要包括ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等。这些类通过以下几个方面来提高并发性能：

1.  性能优化：Lock实现类可以实现更细粒度的控制，支持更灵活的加锁和解锁操作，可以避免Synchronized的性能问题。

1.  灵活性提升：Lock接口和实现类提供了更多的同步机制，如可重入锁、读写锁等，同时也支持可中断、超时等操作，能够更好地满足各种复杂的同步需求。

1.  可见性保障：Lock接口和实现类支持更细粒度的锁定和解锁操作，可以保证共享变量的实时可见性，避免了Synchronized的可见性问题。

1.  公平性控制：Lock实现类可以通过构造函数参数来控制锁的公平性，从而避免线程饥饿等问题。

需要注意的是，Lock接口和实现类的使用需要手动管理锁的获取和释放，而且需要使用try...finally语句块确保锁的释放，否则可能会导致死锁等问题。此外，Lock的使用也需要注意一些细节问题，如使用tryLock()方法尽量避免死锁、使用ReentrantReadWriteLock来提高读操作的并发性能等。

### **5.Synchronized和Lock的对比，和选择?** ###

*  Synchronized

使用简单，不需要手动加锁

支持可重入性和线程的可见性锁的释放由JVM自动管理，不容易出现死锁

*  Lock

支持公平锁和非公平锁，更加灵活

支持可中断性，可以避免死锁性能较好，

性能较好，在高并发场景下比Synchronized更快

在选择Synchronized和Lock时，需要根据具体的应用场景和需求进行选择。如果不需要过多的控制锁的粒度，只需要简单的锁定某个对象，那么使用Synchronized是一个不错的选择。如果需要更加灵活的锁控制、更好的性能、更好的可中断性等特性，那么可以选择Lock。同时，在使用Lock时，需要注意避免出现死锁等问题。

### 6.Synchronized在使用时有何注意事项? ###

1.  尽量缩小锁的作用范围；

1.  避免死锁；

1.  不要将Synchronized作用于静态变量；

1.  对锁的释放要及时；

1.  避免使用String类型作为锁对象；

1.  尽量避免在同步代码块中执行耗时的操作。

### 7.Synchronized修饰的方法在抛出异常时,会释放锁吗? ###

如果在执行Synchronized修饰的方法或代码块时抛出异常，JVM会自动将锁释放掉，以避免死锁的情况。因此，在使用Synchronized时，需要及时释放锁，以避免死锁等问题。

### 8.synchronized是公平锁吗？ ###

在Java中，Synchronized锁默认情况下是非公平的锁。

### 9.多个线程等待同一个Synchronized锁的时候，JVM如何选择下一个获取锁的线程? ###

非公平锁

当有多个线程等待同一个Synchronized锁时，JVM并不会按照线程等待的先后顺序来选择下一个获取锁的线程。相反，它会通过一定的调度算法来选择下一个获取锁的线程，可能会导致某些线程一直无法获取锁，产生饥饿问题。

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## volatile ##

### 1.volatile关键字的作用是什么? ###

volatile关键字的作用是保证可见性和有序性，即保证所有线程都能看到它的最新值，禁止指令重排序优化，但不能保证原子性。

也就是说，多个线程同时修改同一个volatile变量时，可能会出现并发问题，因此，在需要保证原子性的场合，仍需要使用Synchronized或者Lock等其他机制来进行控制。

### 2.32位机器上共享的long和double变量的为什么要用volatile? ###

因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分，因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。

使用volatile关键字可以解决这个问题，因为volatile关键字可以保证变量的可见性和禁止指令重排，即保证一个线程修改了这个变量的值，其他线程可以立即看到这个变量的修改值，而且JVM不会对volatile变量的读写操作进行指令重排序优化，保证操作的有序性。

因此，当多个线程并发读写long和double类型的变量时，可以将其声明为volatile变量，从而保证线程安全。

### 3.volatile是如何实现可见性的? ###

volatile关键字可以保证变量的可见性，即一个线程修改了volatile变量的值，其他线程可以立即看到最新的值。实现原理是在写入volatile变量时，使用**内存屏障**指令将修改后的值刷新回主内存；在读取volatile变量时，使用内存屏障指令从主内存中读取最新的值。

### 4.volatile是如何实现有序性的? ###

volatile关键字可以保证变量的有序性，即对一个volatile变量的写操作和读操作都不能重排序。实现原理是在写入volatile变量时，在写操作之前插入内存屏障指令，保证在写操作完成之前，不会重排序到写操作之后的代码；在读取volatile变量时，在读操作之后插入内存屏障指令，保证在读操作完成之后，不会重排序到读操作之前的代码。这样可以保证volatile变量的读写操作按照代码的顺序执行。

### 5.说下volatile的应用场景? ###

1.  状态标记：当一个线程修改了一个共享状态标记时，使用volatile关键字可以确保其他线程能够立即看到最新的状态，从而避免了死锁和饥饿等问题。

public class MyRunnable implements Runnable {
        private volatile boolean flag = true;
    
        @Override
        public void run() {
            while (flag) {
                // do something
            }
        }
    
        public void stop() {
            flag = false;
        }
    }

1.  双重检查锁定（Double Checked Locking）：当一个线程要获取一个单例对象时，使用双重检查锁定可以避免多个线程同时创建对象的问题。需要注意的是，双重检查锁定在Java 5之前是不安全的，因为对volatile关键字的实现不够完善。

public class Singleton {
        private static volatile Singleton instance;
    
        private Singleton() {}
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

1.  线程通信：当多个线程之间需要进行通信时，可以使用volatile关键字保证通信的可见性和有序性，从而避免了死锁和饥饿等问题。

### 6.使用 **volatile** 必须具备的条件 ###

1.  变量状态不依赖于先前的状态：如果变量的值取决于先前的状态，那么使用 **volatile** 不能保证线程安全，需要使用其他的同步手段，如 **synchronized** 或 **Lock**。

1.  变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束：如果需要多个变量的状态一起满足某个不变条件，那么使用 **volatile** 也不能保证线程安全，需要使用其他的同步手段。

1.  对变量的写操作不依赖于当前值：如果对变量的写操作依赖于当前值，那么使用 **volatile** 不能保证线程安全，需要使用其他的同步手段。

1.  对变量的访问不需要加锁：如果需要对变量进行复合操作，例如“先检查再更新”操作，那么使用 **volatile** 不能保证线程安全，需要使用其他的同步手段。

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## final ##

### 1.所有的final修饰的字段都是编译期常量吗? ###

不是所有使用 **final** 修饰的字段都是编译期常量。在Java中，**final** 修饰的字段有两种类型：

1.  编译期常量：使用 **final static** 修饰的字段被视为编译期常量，也就是类加载时就被初始化，并且在编译时就能确定其值。这种类型的字段可以直接使用类名进行访问，且访问速度很快，因为它们已经在编译期间被优化了。

1.  运行期常量：使用 **final** 修饰的非静态字段被视为运行期常量，这意味着它们在运行时才被初始化，并且它们的值只能被赋值一次。这种类型的字段通常用于不变对象或常量池中的值。

因此，只有使用 **final static** 修饰的字段才是编译期常量，而不是所有使用 **final** 修饰的字段。

### 2.如何理解private所修饰的方法是隐式的final? ###

在Java中，使用 **final** 关键字修饰的方法不能被子类重写。如果在父类中使用 **private** 关键字修饰方法，则子类无法继承该方法，更不可能重写它。因此，对于使用 **private** 修饰的方法，它们默认就是隐式的 **final** 方法。

**final** 关键字的作用是让方法或变量的值在定义后不能被修改。对于私有方法而言，它们只能在本类中被调用，其他类无法调用它们，更不可能修改它们。因此，在这种情况下，使用 **final** 关键字并没有任何实际作用。

举个例子，假设有以下父类：

public class Parent {
        private void doSomething() {
            // ...
        }
    }

如果在子类中定义了一个同名的私有方法：

public class Child extends Parent {
        private void doSomething() {
            // ...
        }
    }

则这个子类方法并不是对父类方法的重写，而是一个新定义的私有方法。这意味着，无论父类中的方法是否使用 **final** 关键字，子类都无法对其进行重写。

### 3.说说final类型的类如何拓展? ###

使用 **final** 修饰的类是不能被继承的，所以不能直接拓展。但是可以使用以下方式来实现拓展：

以下是使用包装器类的示例代码，假设有一个 **final** 类 **MyFinalClass**：

public final class MyFinalClass {
        private final int value;
    
        public MyFinalClass(int value) {
            this.value = value;
        }
    
        public int getValue() {
            return value;
        }
    }

然后可以创建一个包装器类 **MyWrapperClass**，并在其中添加一些额外的方法或属性：

public class MyWrapperClass {
        private final MyFinalClass myFinalClass;
    
        public MyWrapperClass(MyFinalClass myFinalClass) {
            this.myFinalClass = myFinalClass;
        }
    
        public int getValue() {
            return myFinalClass.getValue();
        }
    
        public String getDescription() {
            return "This is a wrapper class for MyFinalClass";
        }
    }

可以看到，在 **MyWrapperClass** 中使用了 **MyFinalClass** 的实例，并添加了一个 **getDescription()** 方法来获取包装器类的描述信息。

然后在其他类中，可以使用 **MyWrapperClass** 来访问 **MyFinalClass** 的实例，并使用包装器类的额外方法或属性：

MyFinalClass finalInstance = new MyFinalClass(10);
    MyWrapperClass wrapperInstance = new MyWrapperClass(finalInstance);
    int value = wrapperInstance.getValue(); // 10
    String description = wrapperInstance.getDescription(); // "This is a wrapper class for MyFinalClass"

通过这种方式，可以在不继承 **MyFinalClass** 的情况下，使用包装器类来拓展 **MyFinalClass** 的功能。

### 4.final方法可以被重载吗? ###

是的，final修饰的方法可以被重载，但不能被子类重写。

当子类中声明了一个和父类中同名、同参数列表、同返回类型的方法时，这个方法被称为重载方法。重载方法可以在子类中提供新的实现，但是不能改变父类中 final 方法的行为。

以下是一个示例，其中父类中有一个 final 方法 **printMessage()**，子类中定义了一个重载方法 **printMessage(String message)**：

public class Parent {
        public final void printMessage() {
            System.out.println("Hello, world!");
        }
    }
    
    public class Child extends Parent {
        public void printMessage(String message) {
            System.out.println("Hello, " + message + "!");
        }
    }

在上面的例子中，**Child** 类中的 **printMessage(String message)** 方法是一个重载方法，不会覆盖父类中的 **printMessage()** 方法。如果尝试在子类中定义一个与父类中的 **printMessage()** 方法相同的方法，则会编译错误。

### 5.说说基本类型的final域重排序规则? ###

在Java语言中，对于基本类型的**final**域，JVM会禁止对它们的重排序，确保在对象发布之后，该域的值对所有线程可见，因此满足了可见性和有序性。

具体来说，对于**final**域的写入，JVM会在构造函数执行期间将其初始值写入该域，并将构造函数的return指令之前的所有写操作刷新到主内存中，这样，其他线程在获取该域的值时，就能读到这个最终的值。

同时，由于JVM不允许对**final**域进行重排序，因此在使用**final**域时，程序员也不需要担心其可能被重排序从而破坏线程安全。

### 6.说说final的原理? ###

在Java中，final关键字可以用来修饰变量、方法和类。对于变量，final保证了变量只被赋值一次，也就是说，final变量的值在赋值后不可更改。这个特性可以通过内存屏障来实现。在写final变量的时候，JVM会在写操作之前插入一个StoreStore屏障，保证该写操作不会被重排到屏障之后。在读final变量的时候，JVM会在读操作之后插入一个LoadLoad屏障，保证该读操作不会被重排到屏障之前。

对于方法和类，final关键字可以用来禁止子类重写方法和继承类。这个特性可以通过在编译期生成类文件时进行优化实现。如果一个类被声明为final，那么编译器会在编译时对该类的所有方法进行静态绑定（static binding），也就是在编译期就确定方法的调用方式，而不需要在运行时进行动态绑定（dynamic binding）。这样，就可以避免在运行时进行虚方法表（virtual method table）的查找，提高程序的执行效率。

总的来说，final的原理是通过内存屏障和编译器优化来实现的，保证了final变量的值只被赋值一次，以及final方法和类的不可更改性和继承性。