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一文解析公平锁、非公平锁、悲观锁、乐观锁、可重入锁和锁的升级（含详细代码实例）

news 2025/8/2 21:09:08

在并发开发和数据库事务处理中，锁机制是绕不开的难题。了解锁的种类、原理和应用场景，对于写出高效安全的并发程序非常重要。本文将系统总结公平锁、非公平锁、悲观锁、乐观锁、可重入锁、锁的升级等核心知识，并配套详细的实用代码，带你搞懂常见锁机制！

一、公平锁与非公平锁

1. 公平锁（Fair Lock）

定义：获取锁的顺序按照线程到来的顺序进行分配，先请求锁的线程先获得锁，避免线程“饥饿”。

应用场景：对执行先后顺序非常敏感的场合，如任务调度、并发队列等。

代码示例（Java）：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class FairLockDemo {// true 表示公平锁private static final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);public void testLock() {fairLock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得了公平锁");Thread.sleep(300);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {fairLock.unlock();}}public static void main(String[] args) {FairLockDemo demo = new FairLockDemo();for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(demo::testLock, "Thread-" + i).start();}}
}

2. 非公平锁（Nonfair Lock）

定义：线程加锁的顺序不严格按照申请顺序，允许“插队”，提高吞吐量。

应用场景：大多数并发场景，追求性能。

代码示例（Java）：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class NonFairLockDemo {// 默认 false，非公平锁private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void testLock() {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得了非公平锁");Thread.sleep(300);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {NonFairLockDemo demo = new NonFairLockDemo();for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(demo::testLock, "Thread-" + i).start();}}
}

拓展： synchronized 在 JVM 层面也是一种非公平锁。

二、悲观锁与乐观锁

1. 悲观锁（Pessimistic Lock）

定义：假设系统“很可能”发生并发冲突，每次数据操作都先加锁，其他线程只能等待。

应用场景：并发写多于读，且数据一致性要求高，例如订单、资金等核心业务。

数据库实现：

-- 事务中加锁（MySQL InnoDB）
START TRANSACTION;
SELECT * FROM account WHERE id=1 FOR UPDATE;
-- do something...
UPDATE account SET balance=balance-100 WHERE id=1;
COMMIT;

Java实现（synchronized / Lock）：

public class PessimisticLockDemo {public synchronized void doSomething() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得了悲观锁");// 执行“临界区”操作}
}

2. 乐观锁（Optimistic Lock）

定义：假定冲突较少，不上锁，通过“版本号”或CAS检查数据是否被别人修改。若被修改则重试。

应用场景：用户数大、并发冲突不多的场景，如商品秒杀、用户信息查询等。

数据库实现（版本号字段）：

-- 查询时一并获取 version，例如5
UPDATE account SET balance=balance-100, version=version+1 WHERE id=1 AND version=5;
-- 如果该SQL更新数为0，说明数据已被别的线程改过，需要重试

Java实现（CAS 原子类）：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class OptimisticLockDemo {private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);public void tryUpdate() {int oldVal, newVal;do {oldVal = value.get();newVal = oldVal + 1;} while (!value.compareAndSet(oldVal, newVal));System.out.println("成功更新为：" + newVal);}
}

三、可重入锁（Reentrant Lock）

定义：同一线程多次申请同一把锁不会被阻塞，内部会维护锁“重入次数”。

作用：方便递归、父子方法重复加锁的场景，避免死锁。

1. synchronized的可重入性：

public class ReentrantSyncDemo {public synchronized void outer() {System.out.println("outer....");inner();}public synchronized void inner() {System.out.println("inner....");}public static void main(String[] args) {new ReentrantSyncDemo().outer();}
}

2. ReentrantLock的可重入性：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ReentrantLockDemo {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void methodA() {lock.lock();try {System.out.println("进入methodA");methodB();} finally {lock.unlock();}}public void methodB() {lock.lock();try {System.out.println("进入methodB");} finally {lock.unlock();}}
}

四、锁的升级（锁的优化机制）

定义：JVM对synchronized的性能优化，锁的状态会随竞争程度自动“升级”，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

锁的状态与升级流程：

无锁：对象未被线程持有。
偏向锁：假设只有一条线程反复获得锁，极高性能（无任何同步原语）。
轻量级锁：短期竞争时的自旋锁（无需阻塞，性能高）。
重量级锁：竞争激烈时的传统监视器锁（阻塞/唤醒）。

状态升级：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
（注意：不会降级）

代码观察（JDK源码、JOL工具辅助理解）：

public class LockUpgradeDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {Object obj = new Object();synchronized (obj) {// 查看对象头信息System.out.println("进入同步块");}}
}

使用JOL（Java Object Layout）库可以详细观察对象头信息及锁状态变化。

五、总结对比表

类型	定义	场景	代码说明	优缺点
公平锁	先到先得，排队获取锁	银行排队	`new ReentrantLock(true)`	避免饿死但慢
非公平锁	不按顺序，允许插队	绝大多数并发场景	`new ReentrantLock(false)`或`synchronized`	性能高风险饿死
悲观锁	先锁后用，强制同步	核心交易、资金	`synchronized`/数据库`for update`	安全性能一般
乐观锁	无锁冲突检测后重试	高频读、低冲突	Java原子类、版本号字段	快，不适用多冲突
可重入锁	自身可多次获得同一锁	递归与多调用场景	`synchronized`、`ReentrantLock`	灵活无死锁
锁的升级	JVM智能优化锁粒度	JVM自动控制	`synchronized`（自动实现）	性能最优动态选择