并發(fā)鎖機制知識總結

Java 的鎖機制是并發(fā)編程的核心，用于解決多線程共享資源競爭問題，保證數(shù)據(jù)一致性和線程安全。Java 提供了內置鎖（synchronized）、顯式鎖（Lock 接口） 等多種鎖實現(xiàn)，同時衍生出偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖等優(yōu)化機制，以及可重入鎖、公平鎖、讀寫鎖等功能分類。

一、鎖的核心作用

• 互斥性：同一時間只有一個線程能持有鎖，訪問共享資源（解決 “競態(tài)條件”）。
• 可見性：持有鎖的線程修改共享資源后，釋放鎖時會將修改同步到主內存；其他線程獲取鎖時會從主內存讀取最新值（避免 “緩存一致性問題”）。
• 有序性：禁止指令重排序（避免多線程下的 “指令重排導致的邏輯錯亂”）。

二、Java 鎖的分類

（一）按實現(xiàn)方式：內置鎖 vs 顯式鎖

1. 內置鎖：synchronized（JVM 層面實現(xiàn)）

synchronized 是 Java 原生的隱式鎖，基于 對象監(jiān)視器（Monitor） 實現(xiàn)，無需手動釋放，簡單易用、線程安全。

（1）使用場景

（2）示例代碼

public class SynchronizedDemo {
    // 1. 實例方法鎖（鎖：this）
    public synchronized void method1() {
        // 共享資源操作
    }
    // 2. 靜態(tài)方法鎖（鎖：SynchronizedDemo.class）
    public static synchronized void method2() {
        // 共享資源操作
    }
    // 3. 代碼塊鎖（鎖：自定義對象）
    private final Object lock = new Object();
    public void method3() {
        synchronized (lock) {
            // 共享資源操作
        }
    }
}

（3）核心特性

（4）JVM 優(yōu)化：鎖升級（無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖）

為了平衡性能和并發(fā)安全，JVM 對 synchronized 進行了鎖升級優(yōu)化（從低開銷到高開銷逐步過渡）：

鎖升級是不可逆的（一旦升級為重量級鎖，不會降級）。

2. 顯式鎖：Lock 接口（Java 代碼層面實現(xiàn)）

java.util.concurrent.locks.Lock 是 JDK 1.5 引入的顯式鎖，提供比 synchronized 更靈活的功能（如可中斷、超時獲取、公平鎖等），但需手動釋放鎖（否則會導致死鎖）。

（1）核心方法

（2）常用實現(xiàn)類

（3）示例代碼（ReentrantLock）

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockDemo {
    // 創(chuàng)建非公平鎖（默認），若要公平鎖：new ReentrantLock(true)
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void method() {
        // 1. 獲取鎖（必須手動獲?。?
        lock.lock();
        try {
            // 共享資源操作
        } finally {
            // 2. 釋放鎖（必須在 finally 中釋放，避免鎖泄漏）
            lock.unlock();
        }
    }
    // 可中斷獲取鎖示例
    public void interruptibleMethod() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly(); // 線程可被中斷
        try {
            // 共享資源操作
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

（4）核心特性

（二）按功能特性分類

1. 可重入鎖 vs 不可重入鎖

2. 公平鎖 vs 非公平鎖

3. 讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock）

針對 “讀多寫少” 場景優(yōu)化，分離讀鎖（共享鎖） 和寫鎖（排他鎖）：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteLockDemo {
    private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = rwLock.readLock();
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = rwLock.writeLock();
    private int data;
    // 讀操作（共享鎖）
    public int readData() {
        readLock.lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
    // 寫操作（排他鎖）
    public void writeData(int value) {
        writeLock.lock();
        try {
            data = value;
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

4. 樂觀鎖 vs 悲觀鎖

（三）其他特殊鎖

1. 自旋鎖（SpinLock）

線程獲取鎖失敗時，不立即阻塞，而是循環(huán)（自旋）嘗試獲取鎖（避免線程上下文切換開銷）。

2. 偏向鎖 / 輕量級鎖 / 重量級鎖（JVM 層面的鎖優(yōu)化）

見前文 synchronized 的鎖升級機制，核心是 “按需升級”，平衡性能和并發(fā)安全。

3. StampedLock（樂觀讀鎖）

JDK 1.8 引入，性能優(yōu)于 ReentrantReadWriteLock，支持三種模式：

三、synchronized vs ReentrantLock 對比

四、鎖的使用注意事項

總結

Java 鎖機制的核心是解決共享資源競爭，提供了從簡單到復雜的多種實現(xiàn)：

使用鎖時需平衡線程安全和性能，避免死鎖、鎖粒度過大等問題，根據(jù)實際場景選擇合適的鎖類型。
最后祝各位開發(fā)者工作順利，萬事如意。

• 修飾實例方法：鎖是當前對象（this）。
• 修飾靜態(tài)方法：鎖是當前類的 Class 對象（全局鎖）。
• 修飾代碼塊：鎖是括號中的對象（可自定義鎖對象，靈活度更高）。
• 可重入：同一線程可多次獲取同一把鎖（避免死鎖，如遞歸調用 synchronized 方法）。
• 非公平鎖：線程獲取鎖的順序不按請求順序（默認，性能優(yōu)先）。
• 自動釋放：線程退出同步塊 / 方法時，無論正常退出還是異常退出，鎖都會自動釋放（無需手動處理）。
• 不可中斷：線程獲取鎖時若被阻塞，只能等待鎖釋放或一直阻塞（無法主動中斷）。
• 無鎖：無線程競爭時，無需加鎖（直接執(zhí)行）。
• 偏向鎖：單線程重復獲取鎖時，僅記錄線程 ID（避免 CAS 操作，開銷極低）。
  • 觸發(fā)條件：只有一個線程訪問同步資源。
  • 撤銷：當有第二個線程競爭時，偏向鎖會升級為輕量級鎖。
• 輕量級鎖： 多個線程交替訪問鎖（無激烈競爭），通過CAS（Compare and Swap）嘗試獲取鎖（自旋等待，避免阻塞線程）。
  • 自旋次數(shù)：默認 10 次（可通過 -XX:PreBlockSpin 調整），自旋失敗則升級為重量級鎖。
• 重量級鎖：多個線程激烈競爭鎖（自旋無效），通過操作系統(tǒng)的 互斥量（Mutex） 實現(xiàn)（線程會阻塞，開銷最高）。
• ReentrantLock：可重入鎖（最常用），支持公平鎖和非公平鎖（默認非公平）。
• ReentrantReadWriteLock：讀寫鎖（分離讀鎖和寫鎖，提高讀多寫少場景的并發(fā)性能）。
• StampedLock：JDK 1.8 引入的樂觀讀鎖（性能優(yōu)于讀寫鎖，支持樂觀讀、寫鎖、悲觀讀鎖）。
• 可重入：與 synchronized 一致，同一線程可多次獲取鎖（鎖計數(shù)器遞增，釋放時遞減至 0 才釋放）。
• 公平 / 非公平可選：構造函數(shù)傳入 true 則為公平鎖（按線程請求順序分配鎖，性能略低），默認非公平鎖（性能優(yōu)先）。
• 可中斷：支持 lockInterruptibly() 中斷阻塞中的線程（避免無限等待）。
• 超時獲取：通過 tryLock(time) 避免線程永久阻塞。
• 條件變量：通過 newCondition() 創(chuàng)建多個條件變量（比 synchronized 的 wait()/notify() 更靈活，可精準喚醒特定線程）。

• 可重入鎖：同一線程可多次獲取同一把鎖（如synchronized、ReentrantLock），避免遞歸調用或嵌套同步時的死鎖。

  • 原理：鎖內部維護一個 “線程持有計數(shù)”，線程首次獲取時計數(shù)為 1，再次獲取時計數(shù)遞增，釋放時計數(shù)遞減，計數(shù)為 0 時鎖釋放。

• 不可重入鎖：同一線程無法多次獲取同一把鎖（如簡單的 SpinLock 實現(xiàn)），容易導致死鎖，極少使用。

• 公平鎖：線程獲取鎖的順序嚴格按照 “請求順序”（FIFO），不會出現(xiàn)饑餓（每個線程都能最終獲取鎖）。
  • 實現(xiàn)：維護一個等待隊列，新線程需加入隊列尾部，僅當隊列頭部線程才能獲取鎖。
  • 缺點：性能較低（頻繁切換線程上下文）。
• 非公平鎖：線程獲取鎖時不按請求順序，允許 “插隊”（剛釋放鎖的線程可能再次獲取鎖，減少上下文切換）。
  • 優(yōu)點：性能更高（默認選擇，如 synchronized、ReentrantLock 默認）。
  • 缺點：可能導致部分線程長期無法獲取鎖（饑餓）。
• 讀鎖（共享鎖）：多個線程可同時獲取讀鎖（讀操作不互斥）。
• 寫鎖（排他鎖）：僅一個線程可獲取寫鎖（寫操作與讀 / 寫操作互斥）。
• 核心規(guī)則：讀鎖持有期間，寫鎖無法獲?。粚戞i持有期間，讀鎖和寫鎖均無法獲取。
• 示例代碼：
• 悲觀鎖：認為并發(fā)競爭必然發(fā)生，每次訪問共享資源都先加鎖（如synchronized、ReentrantLock）。
  • 優(yōu)點：簡單可靠，適合寫操作多的場景。
  • 缺點：阻塞線程，性能開銷高。
• 樂觀鎖：認為并發(fā)競爭很少發(fā)生，不加鎖直接訪問資源，僅在修改時通過 CAS 驗證是否有沖突（沖突則重試）。
  • 實現(xiàn)：AtomicInteger（基于 CAS）、StampedLock（樂觀讀模式）、數(shù)據(jù)庫的版本號機制。
  • 優(yōu)點：非阻塞，性能高，適合讀操作多的場景。
  • 缺點：存在 “ABA 問題”（可通過版本號 / 時間戳解決），重試次數(shù)過多會消耗 CPU。
• 適用場景：鎖持有時間短、并發(fā)度低的場景（如 JVM 輕量級鎖的自旋階段）。
• 缺點：自旋期間占用 CPU，若鎖持有時間長，會浪費 CPU 資源。
• 樂觀讀模式：無鎖訪問，讀取后驗證版本號（無沖突則成功，有沖突則升級為悲觀讀鎖）。
• 悲觀讀模式：共享鎖（類似讀寫鎖的讀鎖）。
• 寫模式：排他鎖（類似讀寫鎖的寫鎖）。
• 優(yōu)點：樂觀讀模式下無鎖競爭，性能極高；缺點：不支持可重入，使用復雜。

1. 避免死鎖：
   • 手動釋放鎖（ReentrantLock 必須在 finally 中 unlock ()）。
   • 避免嵌套鎖（或保證嵌套鎖的獲取順序一致）。
   • 避免長時間持有鎖（減少鎖競爭）。
2. 選擇合適的鎖類型：
   • 讀多寫少：用 ReentrantReadWriteLock 或 StampedLock。
   • 簡單場景：用 synchronized（無需手動管理鎖）。
   • 復雜場景（中斷、超時、公平鎖）：用 ReentrantLock。
3. 減少鎖粒度：
   • 避免鎖覆蓋整個方法（僅對共享資源的操作加鎖，如 synchronized 代碼塊而非方法）。
   • 示例：用 synchronized (lock) 替代 synchronized method()（僅鎖定關鍵代碼）。
4. 避免鎖競爭：
   • 無狀態(tài)對象無需加鎖（無共享資源）。
   • 共享資源盡量設計為不可變（如 String、Integer）。
   • 用局部變量替代共享變量（線程私有，無需鎖）。

• 基礎場景：優(yōu)先使用 synchronized（簡單、安全、JVM 優(yōu)化充分）。
• 復雜場景：使用 ReentrantLock（可中斷、超時、公平鎖）或 ReentrantReadWriteLock（讀多寫少）。
• 性能優(yōu)化：利用 JVM 鎖升級（synchronized）、樂觀鎖（StampedLock、Atomic 類）減少鎖開銷。

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