Java中的锁机制

一、前言

• Java中的锁机制是保障多线程环境下资源的安全访问的核心技术。
• 主要分为隐式锁（synchronized）和显式锁（Lock接口实现类）两种类型，同时包含多种锁优化策略和分类。

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二、锁的分类与特性

• 悲观锁 vs 乐观锁
  • 悲观锁：假定资源会被竞争修改，直接加锁（如synchronized、ReentrantLock）。
  • 乐观锁：通过版本号或CAS（Compare And Swap）无锁机制实现（如AtomicInteger），适合读多写少场景。
• 公平锁 vs 非公平锁
  • 公平锁：按线程申请顺序分配锁（ReentrantLock(true)）。
  • 非公平锁：允许插队（synchronized、ReentrantLock(false)），默认情况下性能更高。
• 可重入锁：同一线程可重复获取同一锁（如synchronized、ReentrantLock），避免死锁。
• 共享锁 vs 独占锁
  • 共享锁：允许多线程同时读（如ReadWriteLock的读锁）。
  • 独占锁：同一时间仅一个线程持有（如ReentrantLock、synchronized）。

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三、synchronized 关键字

• 实现原理：基于对象头中的 Mark Word 和 Monitor 监视器，通过字节码指令monitorenter和monitorexit控制。
• 锁升级机制
  • 偏向锁：无竞争时标记线程ID，减少CAS开销。
  • 轻量级锁：通过自旋避免线程阻塞。
  • 重量级锁：竞争激烈时依赖操作系统互斥量（Mutex Lock）。
• 使用场景：修饰代码块或方法，简单易用但功能有限（如不可中断、不支持超时）。

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四、Lock 接口与显式锁

• ReentrantLock
  • 特性：可重入、支持公平性、可中断、超时获取锁。
  • 示例：

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

• ReadWriteLock：读写分离，读锁共享，写锁独占（ReentrantReadWriteLock），提升并发性能。
• 优势：灵活控制锁的获取与释放，支持多条件变量（Condition）。

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五、锁优化技术

• 自旋锁：竞争时线程执行忙循环（CAS），避免线程切换，适用于短耗时操作。
• 锁消除：JVM检测无竞争代码（如局部变量操作）自动移除锁。
• 锁粗化：合并连续加锁/解锁操作，减少性能损耗（如循环内重复加锁）。

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六、死锁与解决方案

• 死锁条件：互斥、请求保持、不可剥夺、循环等待。
• 避免策略：按顺序获取锁、使用tryLock()设置超时、死锁检测工具（如jstack）。

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七、典型应用场景

• synchronized：简单同步需求，如单例模式、线程安全集合。
• ReentrantLock：需要复杂控制（如公平性、条件队列）。
• ReadWriteLock：读多写少场景（如缓存）。
• CAS/Atomic类：无锁并发（如计数器）。

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八、总结

• Java锁机制的选择需结合性能需求、锁竞争强度及功能复杂度。
• 基础场景优先使用synchronized。
• 复杂场景（如高并发、细粒度控制）可选用ReentrantLock或ReadWriteLock，同时通过锁优化技术进一步提升效率。