第3章 并发编程基础与线程安全：volatile、synchronized、CAS、AQS
本章定位 大厂后端岗并发方向的高频入口题，考察候选人是否真正理解Java内存模型（JMM）、锁机制与无锁编程的核心差异。回答时应先讲原理，再落代码，最后用场景验证。
回答框架图
面对任何并发原理问题，建议按以下“四层递进”框架组织答案，既能体现深度又便于面试官抓取重点：
💡 面试加分技巧 回答时主动引入JMM规范（工作内存 vs 主内存），并说出对应的字节码指令或源码位置（如monitorenter、Unsafe_CompareAndSetInt），能明显拉开与普通候选人的差距。
🎯 面试问题 1：volatile 如何保证可见性和禁止指令重排序？
面试官考察点
- 是否理解JMM中主内存与工作内存的交互
- 对内存屏障（Memory Barrier）的认知程度
- 能否区分volatile与synchronized在可见性上的差异
回答框架
- 定义本质：volatile是轻量级同步机制，保证可见性、禁止重排序，但不保证原子性。
- 可见性原理：对volatile变量写操作会立即刷新到主内存，读操作从主内存重新读取；底层通过Lock前缀指令触发缓存一致性协议（MESI）。
- 禁止重排序：插入内存屏障（LoadLoad、StoreStore等），阻止编译器和CPU重排。
- 适用场景：状态标志位（如done变量）、DCL单例双重检查。
📝 简短示例回答
volatile基于JMM的happens-before规则：写操作先于后续读。底层插入StoreStore屏障（禁止写写重排）和StoreLoad屏障（强制刷新主存），读时插入LoadLoad屏障（禁止读写重排）。典型场景如DCL单例中的instance变量，配合synchronized防止半初始化对象被读取。
可能追问
- volatile能替代synchronized吗？为什么？
- 64位变量（long/double）在32位JVM上使用volatile是否有问题？
- 你们项目里哪里用到了volatile？
⚠️ 避坑提醒 不要回答“volatile保证原子性”！本质仅保证单次读/写是原子的，但复合操作（如 count++）仍需加锁。面试官经常用i++陷阱连环问。
🎯 面试问题 2：synchronized 底层实现与锁升级过程
面试官考察点
- 是否了解对象头Mark Word的结构与锁状态
- JDK 1.6锁优化（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）的具体过程
- 对线程阻塞和唤醒机制的理解（如park/unpark）
回答框架
- 字节码层面：通过monitorenter/monitorexit指令实现，JVM锁对象关联ObjectMonitor。
- 对象头存储：Mark Word中低2位表示锁标志：01无锁/偏向锁，00轻量级锁，10重量级锁。
- 锁升级流程：无锁→偏向锁（单线程CAS设线程ID）→轻量级锁（CAS替换锁记录）→重量级锁（挂入EntryList）。
- 优化时机：自旋次数、锁粗化、锁消除等编译器优化。
📝 简短示例回答
synchronized在字节码层用monitorenter/exit控制临界区。对象头Mark Word随竞争升级：假设线程A访问，先尝试偏向锁（CAS设线程ID）；若有线程B竞争，撤销偏向升级为轻量级锁（自旋CAS）；自旋超过阈值或CPU资源敏感，膨胀为重量级锁（Monitor阻塞队列）。
可能追问
- 偏向锁在JDK 15中被默认禁用，为什么？
- synchronized和ReentrantLock的区别？你选型的依据是什么？
- 锁升级过程中Java线程状态如何变化？
⚠️ 避坑提醒 不要只背“锁升级”名词，要说明每个阶段的线程行为（如轻量级锁失败后膨胀）。面试官还常问：synchronized是非公平锁吗？是，因为线程挂起后唤醒顺序不保证。
🎯 面试问题 3：CAS 原理与 AQS 队列同步器设计
面试官考察点
- 是否理解CAS的硬件原子性保证（CMPXCHG指令）
- ABA问题及解决方案
- AQS中CLH队列、state共享变量、独占/共享模式的抽象
回答框架
- CAS定义：CompareAndSwap，CPU原语，比较期望值与内存值相等则交换新值。
- Java实现：Unsafe类提供native方法，配合volatile变量保证可见性。
- ABA问题：A→B→A场景，使用AtomicStampedReference加版本号解决。
- AQS结构：维护volatile int state + FIFO双向CLH队列，通过CAS更新state，模板方法（tryAcquire/tryRelease等）。
📝 简短示例回答
CAS通过Unsafe.compareAndSwapInt调用CPU的CMPXCHG指令完成原子更新。AQS基于此设计同步器：内部state用volatile修饰，CAS修改；未获取锁的线程封装成Node入队，通过自旋+park阻塞等待。ReentrantLock、CountDownLatch等均复用该模板。
可能追问
- CAS的自旋会带来什么问题？如何优化（如自旋锁自适应）？
- 请手写一个简易的AQS自定义锁
- AQS中独占锁与共享锁在队列管理上的差异
⚠️ 避坑提醒 不要混淆CAS与乐观锁的概念。CAS是机制，乐观锁是思想。回答AQS时建议画出CLH队列图示（本题可口头描述），重点说“入队前先CAS尝试一次”的优化。另外ABA问题必须提到版本号，只答“加版本号”不够，要说出AtomicStampedReference。
📚 章节小结 大厂面试中并发基础是“必问且拉分”的环节。掌握volatile的内存屏障、synchronized的锁升级、CAS的ABA处理以及AQS的队列模板，可以同时应对原理、源码、场景三类问题。建议结合《Java并发编程的艺术》第2~4章巩固。下一章将深入剖析线程池核心参数与拒接策略。