【多线程】计算机领域中的各种锁
【多线程】计算机领域中的各种锁
本文来自于我关于多线程系列文章。欢迎阅读、点评与交流
1.【多线程】互斥锁（Mutex）是什么？
2.【多线程】计算机领域中的各种锁
3.【多线程】信号量（Semaphore）是什么？
4.【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景
计算机领域的锁种类繁多，它们可以从不同的维度进行分类，例如实现层面、设计思想、状态策略等。下面这个表格梳理了常见的锁类型、核心特征以及典型的应用场景或代表实现。
| 锁的类型 | 核心特征 | 应用场景 / 代表实现 |
|---|---|---|
| 🔒 按实现层面 | ||
| 互斥锁 (Mutex) | 独占访问，未获取锁的线程会被阻塞 | 操作系统同步机制，Java synchronized 的底层 |
| 读写锁 (ReadWriteLock) | 共享读（多个线程可同时读），独占写（写时互斥） | ReentrantReadWriteLock (Java)，适用于读多写少的场景 |
| 自旋锁 (Spinlock) | 尝试获取锁失败时，进行忙等待（循环），避免线程切换 | 适用于锁持有时间极短的场景；Java 中的 CAS 操作 |
| 条件变量 (Condition Variable) | 与互斥锁配合，用于等待某个条件成立，会释放互斥锁 | 线程间协同，如生产者-消费者模型 |
| 信号量 (Semaphore) | 计数器，控制同时访问资源的线程数量 | 限制并发线程数，连接池资源管理 |
| 🔒 按设计思想 | ||
| 乐观锁 (Optimistic Locking) | 假设冲突很少，先直接修改，提交时用版本号或CAS检测冲突 | 数据库版本号、Java AtomicInteger 等原子类 |
| 悲观锁 (Pessimistic Locking) | 假设冲突频繁，访问资源前先加锁，确保独占 | Java synchronized 关键字、ReentrantLock |
| 🔒 按状态策略（特指 synchronized） | ||
| 偏向锁 (Biased Locking) | 仅一个线程访问时，通过标记避免同步操作 | Java synchronized 的锁优化初始状态 |
| 轻量级锁 (Lightweight Locking) | 少量线程竞争时，通过 CAS 自旋尝试获取锁 | synchronized 竞争加剧时的状态 |
| 重量级锁 (Heavyweight Locking) | 竞争激烈时，未获锁线程会被操作系统挂起阻塞 | synchronized 竞争进一步加剧的状态 |
| 🔒 按其他特性 | ||
| 可重入锁 (Reentrant Lock) | 同一线程可多次获取同一把锁，防止死锁 | Java ReentrantLock、synchronized |
| 公平锁 / 非公平锁 (Fair/Non-fair) | 公平锁按申请顺序分配；非公平锁允许插队，吞吐量通常更高 | ReentrantLock(true) 为公平锁，默认非公平 |
| 分段锁 (Segmented Lock) | 细化锁粒度，将数据分段，每段独立加锁 | ConcurrentHashMap (JDK7) 中的 Segment |
💡 理解锁的升级与优化
Java中的synchronized关键字是理解锁优化的一个好例子。为了平衡性能和安全性，JVM会根据竞争情况自动进行锁升级：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。这个过程旨在减少不必要的重量级锁开销。此外，JVM还会进行锁粗化，将多个连续的加锁、解锁操作合并为一个范围更大的锁，以减少性能损耗。
💎 小结与建议
选择哪种锁取决于你的具体场景：
- 追求极致性能且冲突概率小：考虑乐观锁。
- 写操作频繁或临界区逻辑复杂：悲观锁更稳妥。
- 读远多于写：读写锁可以显著提升并发度。
- 锁持有时间非常短：自旋锁能避免线程切换的开销。
- 需要复杂的线程协作：条件变量是标准工具。