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Java 中的锁机制详解

news 2025/7/5 5:28:52

Java 中的锁机制是实现多线程并发控制的核心手段，用于保证临界资源在多线程访问时的安全性。锁的设计与实现主要依赖 JDK 提供的 synchronized 和 java.util.concurrent.locks 包。

一、锁的分类总览

分类维度	锁类型
实现层面	Java 内置锁（synchronized） JUC 显式锁（ReentrantLock 等）
可重入性	可重入锁 / 非可重入锁
公平性	公平锁 / 非公平锁
读写粒度	独占锁 / 共享锁（如 ReadWriteLock）
乐观与悲观	乐观锁（CAS） / 悲观锁
锁粒度与升级	偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
其他特性	自旋锁、可中断锁、可定时锁

二、Java 常见锁类型详解

1. synchronized（内置锁）

特点：

自动获取和释放锁
支持可重入、阻塞式、重量级
编译器层面支持，底层使用 monitor（对象监视器）

使用方式：

synchronized(obj) {// 临界区
}

或用于方法：

public synchronized void doSomething() {}

适用场景：

代码简单的同步场景
不需要手动加解锁的逻辑
并发竞争不激烈的情况下性能较好（配合锁优化）

2. ReentrantLock（显示锁）

特点：

可重入
支持中断锁、定时锁、公平锁、条件变量
手动加锁与释放（需 finally 中 unlock）

使用方式：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();lock.lock();
try {// 临界区
} finally {lock.unlock();
}

适用场景：

需要更高级控制功能（如公平性、可中断、条件变量）
更灵活地配合条件对象实现等待/通知机制

3. ReadWriteLock（读写锁）

特点：

提供读锁（共享）和写锁（独占）
支持多个线程并发读，写操作需互斥

使用方式：

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();

适用场景：

读多写少的缓存类、配置类
提高读并发性能

4. StampedLock（JDK 8 新增）

特点：

不可重入
三种模式：写锁、悲观读锁、乐观读锁
适用于对性能要求极高的读写场景

示例：

long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
try {// 读操作if (!stampedLock.validate(stamp)) {// fallback to pessimistic}
} finally {stampedLock.unlock(stamp);
}

适用场景：

高并发读访问
优化 CPU 缓存一致性开销（如 LRU 缓存）

5. 乐观锁（CAS）

特点：

不阻塞，基于版本号或原子变量进行更新
实现机制依赖 Unsafe.compareAndSwapXxx

使用场景：

原子类：AtomicInteger, AtomicLong 等
非常适合频繁读、偶尔写的场景，如计数器、非阻塞队列

6. 自旋锁

特点：

在获取不到锁时，不立即挂起线程，而是循环尝试
减少线程上下文切换，但可能造成 CPU 空转

应用场景：

锁等待时间非常短的场景，如 CPU 计算密集型任务

三、锁升级过程（JVM 优化）

JVM 会根据竞争情况自动将锁从低成本升级为高成本锁：

偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

锁类型	描述
偏向锁	只有一个线程竞争，自动偏向该线程
轻量级锁	多线程竞争但没有阻塞
重量级锁	多线程激烈竞争，发生阻塞

四、常见锁的比较表

锁类型	可重入	阻塞	公平可选	中断响应	性能
synchronized	✅	✅	❌	❌	中
ReentrantLock	✅	✅	✅	✅	高
ReadWriteLock	✅	✅	✅	✅	高（读多）
StampedLock	❌	✅	❌	❌	极高
乐观锁（CAS）	❌	❌	❌	❌	极高

五、典型应用场景总结

场景类型	推荐锁方案
简单线程同步	synchronized
复杂并发控制	ReentrantLock
读多写少	ReadWriteLock / StampedLock
频繁原子操作	原子类（CAS）
高性能读缓存	StampedLock 乐观读
线程间通知机制	Lock + Condition
秒杀、抢单、库存	分布式锁（Redisson 等）