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Java锁机制全解析：从AQS到CAS，深入理解synchronized与ReentrantLock

news 2025/9/10 17:32:33

在Java并发编程中，锁是保证线程安全的核心机制。面试中，关于锁的底层实现、性能对比和适用场景的问题屡见不鲜。本文将系统解析Java中最重要的锁机制，包括AQS框架、CAS原理，以及synchronized与ReentrantLock的核心区别，助你全面掌握锁相关知识点。

一、并发安全的基石：锁的核心作用

在多线程环境下，多个线程同时操作共享资源可能导致数据不一致（如i++的经典问题）。锁的核心作用是通过控制线程对共享资源的访问权限，保证同一时间只有一个（或有限个）线程能操作资源，从而避免并发安全问题。

Java中的锁机制可分为两类：

  • 隐式锁：如synchronized，由JVM自动管理，无需手动释放。
  • 显式锁：如ReentrantLock，需手动获取和释放，灵活性更高。

无论哪种锁，其底层都依赖两种核心技术：AQS框架和CAS操作。

二、深入理解AQS：Java锁的基础框架

AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是Java并发包中许多锁和同步工具的底层基础，如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等都基于AQS实现。

1. AQS的核心设计

AQS的核心思想是**“状态管理+队列等待”**，主要包含三个部分：

  • 状态变量（state）：一个volatile int变量，用于表示同步状态（如锁的持有计数）。

    • 例如，ReentrantLock中，state=0表示锁未被持有，state>0表示被持有（数值代表重入次数）。

  • 双向等待队列（CLH队列）：当线程获取锁失败时，会被包装成节点（Node） 加入队列尾部，进入阻塞状态等待唤醒。

    • 队列采用双向链表实现，每个节点包含线程引用、等待状态（如CANCELLED、SIGNAL等）。

  • 条件队列（Condition Queue）：通过Condition接口实现，用于线程间的条件等待（类似Object.wait()）。

    • 一个AQS可以关联多个条件队列，实现更灵活的等待/唤醒机制。

2. AQS的核心操作

AQS对外提供了模板方法，子类需重写以下核心方法（通过修改state实现自定义同步逻辑）：

  • tryAcquire(int arg)：尝试获取锁（独占模式）。
  • tryRelease(int arg)：尝试释放锁（独占模式）。
  • tryAcquireShared(int arg)：尝试获取共享锁（如Semaphore）。
  • tryReleaseShared(int arg)：尝试释放共享锁。

工作流程（以独占锁为例）：

  1. 线程调用acquire()方法获取锁，内部先调用tryAcquire()。
  2. 若tryAcquire()成功（state修改成功），则直接获取锁。
  3. 若失败，当前线程被包装成Node加入等待队列，进入阻塞状态。
  4. 当锁释放时（tryRelease()成功），唤醒队列中的后继节点，使其重新尝试获取锁。

三、CAS：无锁编程的核心技术

CAS（Compare And Swap，比较并交换）是一种无锁原子操作，是实现乐观锁的基础，也是AQS、AtomicInteger等并发工具的底层依赖。

1. CAS的工作原理

CAS操作包含三个参数：内存地址（V）、预期值（A）、新值（B）。

  • 核心逻辑：若内存地址V中的值等于预期值A，则将其更新为B；否则不做操作。
  • 操作是原子性的，由CPU指令（如cmpxchg）保证，无需加锁。

用伪代码表示：

boolean cas(V, A, B) {if (V的值 == A) {V = B;return true; // 操作成功}return false; // 操作失败
}

2. CAS在Java中的应用

Java通过sun.misc.Unsafe类提供CAS操作的封装，例如AtomicInteger的incrementAndGet()方法：

public final int incrementAndGet() {// 循环尝试CAS，直到成功return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}// Unsafe类中的CAS实现
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset); // 获取当前值（保证可见性）} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); // CAS尝试更新return v;
}

3. CAS的优缺点

  • 优点：无锁操作，避免线程切换和阻塞的开销，在低并发场景下性能优于锁。
  • 缺点：
    • ABA问题：若值从A变为B再变回A，CAS会误认为未修改（可通过版本号解决，如AtomicStampedReference）。
    • 自旋开销：高并发下CAS可能多次失败重试，导致CPU空转。
    • 只能保证单个变量的原子性：无法直接实现多变量的原子操作。

四、synchronized：JVM内置锁的进化之路

synchronized是Java最基本的同步机制，从JDK 1.0就存在，经过多年优化（如JDK 6的锁升级），性能已大幅提升。

1. synchronized的用法

  • 修饰方法：锁是当前对象实例（非静态方法）或类对象（静态方法）。
  • 修饰代码块：锁是()中的对象（可自定义锁对象）。
// 修饰非静态方法（锁为this）
public synchronized void method1() { ... }// 修饰静态方法（锁为类对象）
public static synchronized void method2() { ... }// 修饰代码块（锁为obj）
public void method3() {synchronized (obj) { ... }
}

2. 底层实现：从对象头到monitor

synchronized的实现依赖对象头和monitor（监视器锁）：

  • 对象头：Java对象在内存中的布局包含对象头，其中Mark Word字段存储锁状态（如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。
  • monitor：一种由C++实现的内核级锁（ObjectMonitor），包含等待队列、持有线程等信息。

JDK 6之前：synchronized直接使用monitor，属于重量级锁，会导致线程从用户态切换到内核态，性能开销大。

3. JDK 6的锁升级优化

为提升性能，JDK 6引入了锁升级机制，让synchronized从无锁状态逐步升级为重量级锁，避免一开始就使用昂贵的monitor：

  1. 无锁状态：对象刚创建，未被任何线程锁定。
  2. 偏向锁：若只有一个线程获取锁，会在对象头记录线程ID，后续该线程可直接获取锁（无需CAS），减少无竞争场景的开销。
  3. 轻量级锁：当有第二个线程竞争锁时，偏向锁升级为轻量级锁，通过CAS竞争锁（线程不会阻塞，而是自旋尝试）。
  4. 重量级锁：当竞争激烈（自旋失败），轻量级锁升级为重量级锁，依赖monitor实现，未获取锁的线程进入阻塞状态。

锁升级流程：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁（不可逆，只能升级不能降级）。

五、ReentrantLock：灵活的显式锁

ReentrantLock是JDK 1.5引入的显式锁，实现了Lock接口，功能与synchronized类似（均为可重入锁），但提供更高的灵活性。

1. ReentrantLock的核心特性

  • 可重入性：同一线程可多次获取锁（与synchronized一致），state计数递增，释放时递减至0才完全释放。
  • 公平锁与非公平锁：
    • 非公平锁（默认）：线程获取锁时直接尝试CAS，失败再入队列，可能导致线程饥饿，但性能更高。
    • 公平锁：线程按等待队列顺序获取锁，需通过new ReentrantLock(true)创建，性能较低但更公平。
  • 可中断锁：支持lockInterruptibly()方法，允许线程在等待锁时响应中断（synchronized不可中断）。
  • 超时获取锁：支持tryLock(long time, TimeUnit unit)，超时未获取锁则返回false，避免无限等待。
  • 条件变量：通过newCondition()获取Condition对象，实现多条件等待（synchronized仅能通过对象本身的wait()/notify()）。

2. 基本用法

Lock lock = new ReentrantLock(); // 非公平锁
// Lock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁try {lock.lock(); // 获取锁// 临界区代码
} finally {lock.unlock(); // 释放锁（必须在finally中，避免死锁）
}

3. 底层实现：基于AQS

ReentrantLock通过内部类Sync（继承AQS）实现，Sync有两个子类：

  • NonfairSync：非公平锁实现，tryAcquire()直接CAS竞争锁。
  • FairSync：公平锁实现，tryAcquire()会先检查队列是否有前驱节点，有则排队。

六、synchronized与ReentrantLock的核心区别

特性synchronizedReentrantLock
锁类型隐式锁（JVM自动管理）显式锁（需手动lock()/unlock()）
可重入性支持支持
公平性非公平锁可选择公平/非公平锁
可中断性不可中断可中断（lockInterruptibly()）
超时获取不支持支持（tryLock(long)）
条件变量仅一个（通过wait()/notify()）多个（通过Condition）
性能JDK 6+优化后与ReentrantLock接近高并发下略优（非公平锁）
底层实现基于对象头+monitor，锁升级机制基于AQS框架，CAS+等待队列
适用场景简单同步场景，代码简洁复杂同步场景（如超时、中断、多条件）

七、面试高频问题解析

1. 为什么说synchronized是可重入锁？

可重入锁指同一线程可多次获取同一把锁。synchronized的可重入性体现在：

  • 线程获取锁后，Mark Word记录线程ID，再次进入同步代码时无需重新竞争，只需增加锁计数器。
  • 例如，一个同步方法调用另一个同步方法（同一对象锁），不会产生死锁。

2. AQS的等待队列和条件队列有什么区别？

  • 等待队列：AQS的核心队列，存储获取锁失败的线程，用于实现锁的竞争与唤醒。
  • 条件队列：由Condition维护，存储调用await()的线程，需通过signal()唤醒后进入等待队列重新竞争锁。
  • 一个AQS只有一个等待队列，但可以有多个条件队列。

3. CAS的ABA问题如何解决？

  • 解决方案：给变量增加版本号，每次修改时版本号递增，CAS时同时检查值和版本号。
  • Java中AtomicStampedReference类通过"值+时间戳（版本号）"解决ABA问题。

4. 锁升级机制中，轻量级锁为什么要自旋？

轻量级锁的自旋是为了避免线程阻塞（阻塞/唤醒的开销远大于自旋）。当线程竞争不激烈时，自旋几次可能就获取到锁，无需进入阻塞状态。但自旋次数有限（JVM默认10次），避免CPU空耗。

5. 什么时候用synchronized，什么时候用ReentrantLock？

  • 优先用synchronized：简单场景（如单条件同步），代码简洁，JVM自动管理，不易出错。
  • 用ReentrantLock：需要公平锁、超时控制、中断功能或多条件等待的场景（如生产者-消费者模型多条件）。

总结

Java锁机制是并发编程的核心，从底层的CAS操作到AQS框架，再到synchronized和ReentrantLock的具体实现，每一层都有其设计智慧：

  • CAS是无锁编程的基础，适合低并发场景。
  • AQS是锁的通用框架，通过状态管理和队列实现同步逻辑。
  • synchronized是JVM内置锁，经过优化后性能优异，适合简单场景。
  • ReentrantLock是灵活的显式锁，适合复杂同步需求。

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