锁框架-面试
Java 的并发锁机制主要分为两大体系：一是基于 synchronized 关键字的内置锁（或监视器锁），二是 java.util.concurrent.locks 包下的显式锁框架。
内置锁
定义
内置锁的核心是：synchronized 关键字，这是 Java 最原始、最基本的锁机制，由 JVM 底层实现和管理。
用法
同步代码块：
synchronized(object) { ... }，需指定一个锁对象。同步实例方法：
public synchronized void method() { ... }，锁对象是当前实例this。同步静态方法：
public static synchronized void method() { ... }，锁对象是当前类的Class对象。
特性
互斥性：同一时间只有一个线程可以进入被锁保护的代码区域。
可重入性：一个线程可以多次获取自己已经持有的锁（锁计数）。
非公平锁：内置锁不保证线程获取锁的顺序，默认是非公平的。
不可中断：等待获取锁的线程无法被中断，会一直阻塞直到获取到锁。
自动释放：当同步代码块执行完毕或发生异常时，锁会自动释放，无需手动操作。
优点
使用简单，JVM 会自动优化（如锁升级），不易出错。
缺点
功能相对单一，缺乏灵活性（如无法尝试非阻塞地获取锁、无法设置超时、无法实现公平锁等）。
显式锁框架
定义
java.util.concurrent.locks包，其核心接口是 Lock。
场景
| 锁类型 | 核心特性与描述 | 适用场景 | 优点 | 缺点与注意事项 |
|---|---|---|---|---|
ReentrantLock(首选替代方案) | 可重入的独占锁。提供了比 synchronized 更丰富的功能：可中断、超时获取、公平性选择。 | 1. 需要 synchronized 所缺乏的高级功能（如可中断、超时）的场景。2. 需要实现公平性策略的场景。 3. 锁的获取和释放不在同一个代码块（方法）中。 | 1. 功能强大且灵活。 2. 性能与 synchronized 相差无几（甚至在某些情况下更优）。3. 提供了丰富的 API。 | 1. 必须手动释放锁（必须在 finally 块中 unlock()），否则会导致死锁。2. 代码编写稍显复杂。 |
ReentrantReadWriteLock(读写分离场景) | 读写锁分离。遵循读读共享、读写互斥、写写互斥的原则。 | 读多写少的并发场景。 例如： - 缓存系统 - 资源注册表 - 频繁查询但很少修改的配置数据 | 1. 极大提升读操作的并发性能，允许多个线程同时读。 2. 保证了写操作时的独占性和数据一致性。 | 1. 写锁饥饿：如果读线程源源不断，写线程可能长时间等待。 2. 在读少写多或竞争激烈的场景下，性能可能不如普通独占锁（因为内部实现更复杂）。 3. 同样需手动释放锁。 |
StampedLock(极致读性能优化) | 提供了三种模式的锁：写锁、悲观读锁和乐观读。乐观读是一种无锁的读取，性能极高。 | 读操作远远远远大于写操作，并且对读性能有极致要求的场景。 例如： - 高性能的统计、监控数据访问 - 金融行情报价系统 | 1. 乐观读模式性能远超读写锁，因为它完全不加锁。 2. 所有方法都返回一个印戳（Stamp），用于解锁或验证。 | 1. API 非常复杂，容易用错。 2. 不是可重入锁，同一个线程重复获取锁会导致死锁。 3. 不支持条件变量 ( Condition)。4. 悲观读锁和写锁不区分读写线程，可能导致饥饿。 |
实现核心
显示锁将其所有的同步机制（如获取锁、释放锁）都委托给了一个内部的 AQS 子类（Sync）来实现。
AQS锁框架定义
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中的一个抽象类，用于构建锁或其他同步组件的基础框架。它通过一个FIFO队列（同步队列）管理线程的阻塞与唤醒，并提供模板方法供子类实现自定义同步逻辑（如独占锁或共享锁）。
通俗理解
我们把 AQS 想象成一套标准的、自动化的医院挂号排队管理系统。这套系统的核心任务是：管理一大堆想要挂专家号（竞争共享资源）的人（线程），保证秩序不乱。
状态变量 (State) - “还剩几个号？”
通俗理解：挂号大厅里有一个巨大的电子显示屏，上面显示着
当前剩余号数。比如
Semaphore（信号量）允许多个线程同时访问，那么这个状态就表示还剩多少个许可。ReentrantLock是独占锁，这个状态通常表示：0（没锁）、1（已锁定）、>1（同个线程重入了多次）。
底层实现：就是一个用
volatile修饰的int变量，保证所有线程都能立刻看到它的最新值。所有抢号的行为最终都是通过 CAS 操作（一种乐观锁）来修改这个数字，保证不会多人同时改成功。
等待队列 (CLH Queue) - “排队区”
通俗理解：当电子屏显示“0”，即没号了，后来的人怎么办？不能堵在诊室门口吧？保安会让他们去排队区坐着等。这个排队区就是一个 FIFO（先进先出）的队列。每个来排队的人会拿到一个排队号（Node）。
底层实现：AQS 内部维护了一个双向链表结构的队列。每个请求资源的线程都会被包装成一个
Node节点，然后加入到这个队列的尾部。
核心工作流程：抢号与排队 (acquire)
现在，一个人（线程）想来挂专家号（获取资源），这套系统（AQS）的工作流程是这样的：
第一步：尝试直接抢号 (
tryAcquire)他首先会看一眼大屏幕（读 State），如果还有号（
state > 0），他就立刻尝试通过机器自助挂号（CAS 操作）。如果成功：他挂上号了，屏幕上的数字减一。他就可以直接进去看医生了（线程继续运行）。这个过程非常快，完全没有阻塞。
如果失败：说明同时有另一个人和他一起抢，并且对方手更快。或者干脆就没号了（
state = 0）。那么流程进入第二步。
第二步：入队等待 (
addWaiter)抢号失败的人，会被系统（AQS）自动生成一张排队小票（Node节点），然后让他去排队区（等待队列） 的末尾坐着等。
第三步：排队并等待唤醒 (
acquireQueued)坐在排队区的人并不会傻傻地一直问“到我了吗？到我了吗？”，这样会累死（消耗CPU）。
他会睡觉（线程被挂起/LockSupport.park）。
那么谁叫他起床呢？当前面一个人看完病出来（释放资源）时，系统会叫排队区第一个位置的人起床（唤醒线程/LockSupport.unpark）。
第一个位置的人被唤醒后，他会再次尝试去第一步抢号（因为可能同时有新的号放出来，或者他是公平锁条件下理所应当该他）。
如果这次抢成功了，他就离开队列进去看医生。如果又失败了（比如突然来了个VIP？非公平锁下可能被插队），他会继续坐下睡觉，等待下一次被唤醒。
释放与唤醒 (release)
看完医生的人（线程）出来时，需要做一件事：
尝试释放号 (
tryRelease)：他会告诉系统：“我用完了”。系统会把大屏幕上的号数加一（修改 State）。唤醒下一个 (
unparkSuccessor)：如果释放成功（比如锁完全解开了），系统（AQS）就会去排队区，找到第一个正在睡觉的人，拍拍他叫他起床（唤醒下一个线程），让他去尝试挂号。
总结：AQS形容的是一个流程，需要一个状态变量保证当前专家号是否可用，需要一个队列保证阻塞需要排队处理、第三个是工作流程在尝试CAS抢号操作、第四抢到看完病后就可以释放资源好和重新唤醒共享资源的状态。
使用场景
显式锁实现：如
ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock。同步工具：如
CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier。自定义同步组件：如需要控制线程协作的场景。
使用方法
继承AQS：子类需实现
tryAcquire（独占锁）或tryAcquireShared（共享锁）等方法。调用模板方法：如
acquire()、release()等，AQS会自动处理队列管理。
示例代码（独占锁）：
class Mutex extends AbstractQueuedSynchronizer {@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {return compareAndSetState(0, 1); // CAS设置状态}@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {setState(0); // 释放锁return true;}
}
// 使用
Mutex mutex = new Mutex();
mutex.acquire(1); // 加锁
mutex.release(1); // 解锁
用到的设计模式
模板方法模式：AQS定义骨架（如
acquire()），子类实现具体逻辑（如tryAcquire()）。观察者模式：线程通过队列等待状态变化，类似观察者模式中的通知机制。
AQS中同步队列的数据结构
双向链表（CLH队列）：每个节点（
Node）保存线程引用、等待状态（WAITING、CANCELLED等）、前驱和后继指针。状态变量（volatile int state）：表示锁的占用情况（如
ReentrantLock中state=0表示未占用）。
AQS原理
一个状态 (
state)：用来表示资源是否可用、可用多少。这是所有操作的核心。一个队列：用来管理所有抢资源失败的线程，让它们排队，避免无序竞争。
CAS + 自旋：在尝试获取资源时，使用高效的CAS操作，快速成功。
Park/Unpark：对于抢失败的线程，不是忙等，而是让它休眠，由释放资源的线程来唤醒，极大节省了CPU资源。
核心伪代码逻辑：
// acquire流程
if (!tryAcquire(arg) && addWaiter(Node.EXCLUSIVE).acquireQueued())selfInterrupt();// release流程
if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);
}