多线程并发与锁 面试知识点

整理自模拟面试，覆盖多线程基础、线程安全、synchronized、CAS、ReentrantLock、读写锁、公平锁、wait/notify

1. Android 里的多线程机制是什么

一句话：Android 采用单 UI 线程模型，主线程负责界面绘制和事件分发，耗时任务需要放到后台线程执行，再通过消息机制或协程切回主线程更新 UI。

为什么需要多线程

• 主线程承担 UI 绘制、事件分发、生命周期回调
• 网络、数据库、文件 IO、大图解码等耗时任务不能放在主线程
• 否则容易掉帧，严重时会触发 ANR

常见实现方式

• Thread：最基础的线程单位，但管理成本高
• 线程池：Executor / ThreadPoolExecutor，适合复用线程和控制并发数
• Handler / Looper / MessageQueue：线程间消息切换的经典方案
• Kotlin 协程：现代 Android 最常用的异步与线程切换方案

面试总结

• 主线程负责 UI
• 后台线程负责耗时任务
• 通过消息机制或协程完成线程切换和结果回调

2. 什么是线程安全问题

一句话：多个线程并发访问共享可变状态时，如果程序结果仍然正确且可预期，就说明它是线程安全的；否则就会出现线程安全问题。

常见问题类型

• 竞态条件：多个线程交替修改共享变量，结果不确定
• 可见性问题：一个线程改了值，另一个线程看不到最新值
• 有序性问题：指令重排序导致多线程下语义异常
• 容器并发问题：ArrayList、HashMap 这类非线程安全容器在并发读写下出错

Android 里的常见场景

• 多个异步任务同时更新缓存、全局状态、会话信息
• 网络回调和数据库回调并发修改同一份数据
• 不同线程同时操作列表、Map、状态位
• 页面销毁后后台任务仍回调共享对象

常见解决思路

• 加锁：synchronized、ReentrantLock
• 可见性控制：volatile
• 原子类：AtomicInteger、AtomicReference
• 并发容器：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList
• 减少共享：不可变对象、消息传递、单线程串行化

3. synchronized 和 volatile 的区别

volatile 解决什么问题

• 保证可见性
• 一定程度上禁止指令重排序
• 不保证复合操作的原子性

synchronized 解决什么问题

• 保证原子性
• 保证可见性
• 通过互斥访问控制临界区

适用场景

• volatile：状态标记、开关量、一个线程写多个线程读
• synchronized：多个线程对共享资源进行复合读写操作

面试结论

• volatile 更像“让值立刻可见”
• synchronized 更像“让临界区串行执行”
• count++ 不能只靠 volatile

4. synchronized 和 ReentrantLock 的区别

相同点

• 都能保证并发访问时的线程安全
• 都是可重入锁

不同点

如何选型

• 简单互斥场景优先 synchronized
• 需要超时、可中断、多个条件队列时用 ReentrantLock

5. synchronized 的原理是什么

一句话：synchronized 本质是基于对象监视器 monitor 实现的内置锁，JVM 通过对象头中的 Mark Word 记录锁状态，并通过加锁与解锁建立线程间的内存可见性关系。

字节码层面的表现

• 同步代码块：生成 monitorenter 和 monitorexit
• 同步方法：方法标记为 ACC_SYNCHRONIZED

锁对象

• 实例方法锁的是当前对象 this
• 静态方法锁的是当前类的 Class 对象

为什么能保证可见性

• 线程释放锁前会把对共享变量的修改刷新回主内存
• 线程获取锁后会重新读取共享变量
• 两者之间形成 happens-before 关系

6. 对象头里有什么

Java 对象内存结构通常分为：
- 对象头
- 实例数据
- 对齐填充

对象头的核心内容

1. Mark Word
2. 保存锁标志位
3. 保存对象 hashCode
4. 保存 GC 分代年龄

5. 在加锁后保存偏向线程、锁记录指针或 Monitor 指针

6. 类型指针 Klass Pointer

7. 指向类元数据

8. JVM 通过它知道对象属于哪个类

9. 数组长度

10. 仅数组对象额外持有

7. Mark Word 在不同状态下存什么

Mark Word 会随着对象状态变化复用不同内容：

• 无锁：hashCode + GC年龄 + 锁标志位
• 偏向锁：线程ID + epoch + GC年龄 + 锁标志位
• 轻量级锁：指向 Lock Record 的指针 + 锁标志位
• 重量级锁：指向 Monitor 的指针 + 锁标志位
• GC 阶段：GC 相关标记信息

面试理解

• 对象平时存普通运行时信息
• 加锁后开始存锁相关信息
• 锁竞争越激烈，记录结构越重量级

8. 锁状态如何变化

变化链路：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

1. 无锁

• 普通对象初始状态

2. 偏向锁

• 适合同一个线程反复进入同步块
• 对象头记录偏向线程 ID
• 下次进入几乎不需要真正竞争

3. 轻量级锁

• 出现其他线程参与竞争时，偏向锁会被撤销
• 线程在栈帧中创建 Lock Record
• 通过 CAS 尝试把对象头替换成指向锁记录的指针

4. 重量级锁

• 竞争激烈，自旋失败后锁膨胀
• 对象头指向 Monitor
• 抢不到锁的线程进入阻塞队列

面试结论

• JVM 会根据竞争激烈程度逐步升级锁
• 核心目标是兼顾线程安全和性能

9. 什么是 CAS

全称：Compare And Swap

一句话：CAS 是一种无锁并发的原子操作，先比较内存中的当前值是否等于预期值，如果相等就更新，否则失败重试。

三个核心参数

• V：内存中的当前值
• A：预期值
• B：要更新的新值

执行逻辑

• 如果 V == A，把值更新为 B
• 如果不相等，说明别的线程已经改过，当前操作失败

优势

• 不需要传统互斥锁
• 适合低竞争、简单原子更新场景

问题

• ABA 问题
• 自旋重试会消耗 CPU
• 只能天然保证单个共享变量的原子性

常见使用处

• AtomicInteger
• AtomicBoolean
• 轻量级锁实现

10. 自旋为什么能提升性能

一句话：当锁持有时间很短时，让线程先短暂空转等待，比直接阻塞和唤醒线程的系统开销更低。

为什么阻塞成本高

• 线程挂起和恢复涉及上下文切换
• 可能触发用户态和内核态切换

自旋适合什么场景

• 临界区很短
• 锁很快会被释放
• 竞争不算特别激烈

什么时候反而不好

• 锁占用时间长
• 竞争非常激烈
• 线程长时间空转，浪费 CPU

11. 重量级锁里的 Monitor 是什么

一句话：Monitor 是 JVM 在重量级锁阶段用来管理互斥、阻塞和线程协作的监视器对象。

Monitor 负责什么

• 记录当前持有锁的线程 owner
• 维护抢锁失败线程的阻塞队列 EntryList
• 维护调用 wait() 后进入等待状态的 WaitSet
• 支持可重入计数

面试理解

• 轻量级锁尽量通过 CAS 和自旋解决问题
• 竞争升级后就交给 Monitor 统一管理
• 这时线程可能被挂起和唤醒，成本明显更高

12. wait()、notify()、notifyAll() 是谁的方法

所属类

• 都是 Object 类的方法
• 不是 Thread 类的方法

为什么设计在 Object

• 它们操作的是对象监视器，而不是线程本身
• Java 中任何对象都可以作为锁对象

语义

• wait()：当前线程释放对象锁，进入等待队列
• notify()：唤醒一个等待该对象监视器的线程
• notifyAll()：唤醒所有等待线程

使用要求

• 必须在 synchronized 块或同步方法中调用
• 否则会抛 IllegalMonitorStateException

实际开发如何看

• 开发者可以调用
• 但现代业务开发里更常使用并发包、阻塞队列、协程等更高层方案

13. ReentrantReadWriteLock 读写锁

严格来说读写锁不是 ReentrantLock 本身的方法，而是同一套显式锁体系里的 ReentrantReadWriteLock

两把锁

• 读锁 ReadLock
• 写锁 WriteLock

规则

• 读读共享
• 读写互斥
• 写写互斥

适用场景

• 读多写少
• 本地缓存
• 配置数据
• 内存规则表

使用价值

• 相比普通互斥锁，可以提升高频读取场景的并发吞吐

注意点

• 写操作频繁时优势会下降
• 锁升级复杂，不适合乱用
• 锁降级可以，锁升级一般不建议

14. ReentrantLock 的 Condition

一句话：Condition 是 ReentrantLock 提供的条件队列机制，用于替代 wait/notify，并支持一个锁绑定多个等待队列。

常用方法

• await()
• awaitUninterruptibly()
• awaitNanos(long nanosTimeout)
• await(long time, TimeUnit unit)
• awaitUntil(Date deadline)
• signal()
• signalAll()

和 wait/notify 的对应关系

• await() 对应 wait()
• signal() 对应 notify()
• signalAll() 对应 notifyAll()

为什么更灵活

• 一个锁可以创建多个 Condition
• 可以把不同等待条件拆开管理
• 典型场景是生产者消费者中的 notFull 和 notEmpty

使用注意

• 必须在持有对应锁时调用
• await() 通常放在 while 循环里防止虚假唤醒

15. 公平锁是什么，还有哪些锁

公平锁

• 按线程请求锁的先后顺序分配
• 先来的线程优先拿锁
• 好处是更公平，线程饥饿概率低
• 缺点是吞吐量通常较低

非公平锁

• 新来的线程也可能直接抢到锁
• 吞吐量更高
• 可能导致某些线程长时间拿不到锁

ReentrantLock 默认策略

• 默认是非公平锁
• 可通过 new ReentrantLock(true) 指定公平锁

常见锁分类

• 按公平性：公平锁、非公平锁
• 按共享方式：独占锁、共享锁
• 按思想：悲观锁、乐观锁
• 按是否可重入：可重入锁、不可重入锁
• 按读写特性：普通互斥锁、读写锁
• 按 JVM 优化阶段：偏向锁、轻量级锁、重量级锁

16. 这轮面试的高频速记版

多线程基础

• Android 主线程负责 UI，耗时任务放后台线程
• 线程切换常见方式是 Handler、线程池、协程

线程安全

• 本质是多个线程并发访问共享可变状态
• 重点看原子性、可见性、有序性

锁与并发工具

• volatile 保证可见性，不保证原子性
• synchronized 保证互斥、原子性、可见性
• ReentrantLock 更灵活，支持公平锁、可中断、Condition
• CAS 是无锁并发基础，适合轻量原子更新

JVM 锁原理

• 对象头核心看 Mark Word
• 锁会经历无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁
• 重量级锁底层依赖 Monitor

面试答题建议

• 先给一句话定义
• 再讲原理和适用场景
• 最后补充优缺点和项目中怎么选型