--- tags: [test/review, java, lock-escalation, CAS, AQS, optimistic-lock] create time: 2026-08-09 12:00 --- # 锁升级与 CAS 机制_测试题 ## 概述 本测试覆盖 synchronized 锁升级机制（偏向→轻量级→重量级）、CAS 原子操作原理、ABA 问题及其解决方案、AQS 框架设计等核心内容，共 10 道题目（6 道选择题 + 3 道填空题 + 1 道简答题）。 --- ## 一、选择题（6道，由浅入深） > **难度阶梯**: Q1-Q2 基础概念 → Q3-Q4 核心原理 → Q5-Q6 深入应用/边界场景 ### Q1（基础）— 考察定义层面 synchronized 锁升级的正确顺序是： A. 重量级 → 轻量级 → 偏向锁 B. 偏向锁 → 轻量级 → 重量级 C. 轻量级 → 偏向锁 → 重量级 D. 偏向锁 → 重量级 → 轻量级 ### Q2（基础）— 考察概念记忆 关于偏向锁，以下说法**正确**的是： A. JDK 17 中仍然默认启用，通过 `-XX:+UseBiasedLocking` 控制 B. 偏向锁撤销时需要全局 STW，代价较高，因此在真实场景中很少能发挥优势 C. 偏向锁状态下，同一线程重复获取锁也需要进行一次 CAS 操作 D. 当有其他线程尝试获取偏向锁时，当前锁会直接升级为重量级锁 ### Q3（进阶）— 考察核心原理 在轻量级锁获取过程中，线程首先在栈帧中创建 Lock Record，然后使用 CAS 将对象头的 Mark Word 替换为指向 Lock Record 的指针。如果 CAS 失败，接下来会发生什么？ A. 立即升级为重量级锁 B. 线程进入睡眠状态等待其他线程释放锁 C. 当前线程自旋重试（最多循环指定次数） D. 抛出 ConcurrencyModificationException 异常 ### Q4（进阶）— 考察比较与辨析 `synchronized` 关键字与 `ReentrantLock` 的主要区别，以下描述**错误**的是： A. synchronized 是 JVM 内置关键字，ReentrantLock 是 JDK API 层的实现 B. synchronized 支持锁升级（偏向→轻量级→重量级），ReentrantLock 没有锁升级机制 C. synchronized 支持超时获取锁（tryLock 语法），ReentrantLock 不支持 D. ReentrantLock 可选公平锁和非公平锁，synchronized 始终是非公平的 ### Q5（深入）— 考察场景推理 在某高并发计数器场景中，开发者使用 `AtomicInteger` 代替 `synchronized` 来提升性能。但在实际压测中发现，随着并发量的增加，CPU 使用率反而急剧升高，QPS 并未如预期增长。最可能的原因是： A. AtomicInteger 本身存在线程安全问题，在高并发下会漏计 B. CAS 长时间自旋增加了 CPU 开销，竞争激烈时应升级为重量级锁或使用其他方案 C. AtomicInteger 的 value 字段缺少 volatile 修饰，线程间看不到最新值 D. AtomicInteger 的 incrementAndGet() 不是原子操作 ### Q6（深入）— 考察源码级理解 AQS 的 CLH 队列中，当一个节点的状态为 `SIGNAL` 时，意味着什么？ A. 该线程已取消等待（CANCELLED） B. 该线程的后继节点需要被 unpark（即前驱释放锁后会唤醒后继） C. 该线程正在等待条件变量（CONDITION） D. 该节点处于共享模式传播状态（PROPAGATE） --- ## 二、填空题（3道） ### F1 — 填空1 在轻量级锁的获取流程中，竞争发生时线程会进行自旋重试。如果自旋超过阈值（默认 __（1）__ 次，可通过 `-XX:PreBlockSpin` 调整），就会升级为__（2）__锁。此时未获得锁的线程会被__（3）__挂起，进入 OS 的等待队列，需要切换到内核态，这是性能损耗最大的环节。 > **提示**: 回忆轻量级锁的自旋阈值和重量级锁的关键特征。 ### F2 — 填空2 CAS 是 CPU 级别的原语指令，在 x86 架构下对应__（1）__汇编指令。在多核环境下通过总线锁或缓存锁保证原子性。CAS 的一个经典问题是__（2）__问题——线程 T1 读取值为 A，T2 把值改为 B 再改回 A，T1 的 CAS 检查时发现值仍是 A 但实际值已经被修改过。解决思路是给值加__（3）__，每次变更版本号加 1。 > **提示**: x86 的 cmpxchg 指令是 CAS 的硬件基础，ABA 的解法是加版本戳。 ### F3 — 填空3 AQS 的核心是一个 `volatile int state` 变量。在不同同步器中，state 的含义不同：ReentrantLock 中 state 表示__（1）__；CountDownLatch 中 state 表示__（2）__（递减到 0 后触发）；Semaphore 中 state 表示__（3）__。 > **提示**: state 的含义取决于具体实现类的语义，回忆文中 AQS 状态机表格。 --- ## 三、简答题（1道） ### S1 某电商秒杀系统在订单扣减环节面临高并发竞争。开发团队最初使用 `synchronized` 保护库存扣减逻辑，后发现性能瓶颈。团队计划迁移到 `ReentrantLock` + AQS 的方案。已知以下条件： - 峰值 QPS 约 5000 - 库存扣减需要保证原子性和一致性 - 部分上游服务依赖超时较短（200ms），需要支持锁的超时获取 请回答： 1. 从 synchronized 迁移到 ReentrantLock 的主要优势有哪些？列出至少 3 个。 2. 如果采用 ReentrantLock 的非公平锁模式，请简述其 tryAcquire 的核心逻辑流程（涉及 CAS 和重入）。 3. 在 AQS 的 CLH 队列中，如果一个节点的线程已经超时，AQS 如何处理这个节点？节点可能的状态有哪些？ > **答题框架提示**: > - 第 1 问从公平性、中断、超时、Condition 等维度对比 > - 第 2 问结合 ReentrantLock tryAcquire 的代码逻辑 > - 第 3 问列举 AQS 节点状态及其含义 --- ## 参考答案与解析 ### 选择题答案 | 题号 | 正确答案 | 解析 | |------|---------|------| | Q1 | B | synchronized 的锁升级路径是固定的：无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁。一旦升级到重量级就不会再降级（除非竞争减弱时从退出队列恢复）。 | | Q2 | B | 偏向锁在实际场景中"永远只有一个人访问"的概率很低，而撤销代价高（需全局 STW），因此 JDK 15 标记废弃、JDK 17 移除。A 错在版本不对，C 错在偏向锁重复获取无需 CAS，D 错在是升级为轻量级而非直接重量级。 | | Q3 | C | CAS 失败后线程会自旋重试，最多循环指定次数（默认 10 次）。超过阈值才升级为重量级锁。不会立即升或抛异常。 | | Q4 | C | C 是错误的描述：synchronized 不支持超时获取锁，ReentrantLock 才有 `tryLock(timeout)`。A、B、D 都是正确的。 | | Q5 | B | 在高并发竞争下，CAS 自旋重试会消耗大量 CPU，这就是为什么有界锁最终会升级为重量级锁。QPS 不上涨是因为 CPU 变成了瓶颈。 | | Q6 | B | SIGNAL 状态表示该节点的后继节点需要被 unpark——即前驱释放锁后会唤醒后继。CANCELLED=已取消，CONDITION=等待条件变量，PROPAGATE=共享模式传播。 | ### 填空题答案 | 题号 | 答案 | 解析 | |------|------|------| | F1 | （1）10 （2）重量级 （3）阻塞 | 轻量级锁自旋阈值为 10 次，超时会退化为重量级锁。重量级锁通过 Monitor 实现，线程阻塞挂起需要内核态切换。 | | F2 | （1）cmpxchg （2）ABA （3）版本号 | cmpxchg 是 x86 的 CAS 汇编指令。ABA 问题的解法是 AtomicStampedReference ——给值加版本号。 | | F3 | （1）持有锁的次数（重入计数） （2）计数器初始值 （3）可用许可证数量 | state 的含义因同步器而异，但其声明始终是 volatile int，保证可见性。 | ### 简答题参考答案 S1：**参考答案要点**： 1. 主要优势：① 支持公平锁/非公平锁可选，可以根据业务选择合适的策略；② 支持 `lockInterruptibly()` 响应中断，避免因某个锁永远拿不到而导致线程无限阻塞；③ 支持 `tryLock(timeout)` 超时获取，满足上游 200ms 超时约束；④ 支持多个 Condition 变量，比 synchronized 的 wait()/notify() 更灵活。 2. 非公平锁 tryAcquire 核心流程：① 先尝试直接用 CAS 拿锁（`compareAndSetState(0, acquires)`），成功则设置独占线程；② 如果 state 不为 0，判断当前线程是否为已有的独占线程，如果是则重入累加 state；③ 都不满足则返回 false，走 AQS 排队流程。 3. AQS 节点可能的状态包括：`CANCELLED`（值为 1，已取消等待）、`SIGNAL`（值为 -1，后继需 unpark）、`CONDITION`（值为 -2，等待条件变量）、`PROPAGATE`（值为 -3，共享模式传播）。如果节点超时，通常会将其状态设为 CANCELLED 并从队列中移除（由前驱节点的 unlinkCancelledNodes 或 self-unpark 机制处理）。 **评分标准**：答出任意 2 个要点即可得满分；完全正确需覆盖全部要点。 ## 关联笔记 - [[01.Java/concurrent/线程池参数与拒绝策略]]