JUC 锁类详解:Java 并发编程的核心锁机制
Java 并发工具包(JUC)提供了丰富的锁机制,相比传统的 synchronized
关键字,JUC 锁提供了更灵活、更强大的并发控制能力。以下是 JUC 锁类的全面详解:
一、JUC 锁类体系结构
二、核心锁类详解
1. Lock 接口
基础锁操作的核心接口:
public interface Lock {
void lock(); // 获取锁
void lockInterruptibly(); // 可中断获取锁
boolean tryLock(); // 尝试非阻塞获取锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit); // 超时获取锁
void unlock(); // 释放锁
Condition newCondition(); // 创建条件变量
}
2. ReentrantLock (可重入锁)
最常用的互斥锁实现:
核心特性:
- 可重入性:同一个线程可多次获取同一把锁
- 公平性选择:支持公平锁和非公平锁
- 可中断的锁获取
- 超时锁获取
使用示例:
Lock lock = new ReentrantLock(); // 默认非公平锁
// Lock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
lock.lock();
try {
// 临界区代码
} finally {
lock.unlock(); // 确保在finally块中释放锁
}
公平锁 vs 非公平锁:
特性 | 公平锁 | 非公平锁 |
---|---|---|
获取顺序 | 按请求顺序获取 | 允许插队获取 |
吞吐量 | 较低 | 较高 |
线程唤醒 | 唤醒等待时间最长的线程 | 随机唤醒或插队 |
适用场景 | 需要严格顺序的场景 | 大多数高并发场景 |
3. ReadWriteLock (读写锁)
读写分离的锁实现:
public interface ReadWriteLock {
Lock readLock();
Lock writeLock();
}
ReentrantReadWriteLock 实现:
ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();
// 读操作
readLock.lock();
try {
// 多个线程可同时读取
} finally {
readLock.unlock();
}
// 写操作
writeLock.lock();
try {
// 仅一个线程可写入
} finally {
writeLock.unlock();
}
锁降级示例:
writeLock.lock(); // 获取写锁
try {
// 修改数据...
// 锁降级:获取读锁(此时仍持有写锁)
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock(); // 释放写锁,降级为读锁
}
try {
// 使用读锁读取数据...
} finally {
readLock.unlock();
}
4. StampedLock (邮戳锁)
Java 8 引入的优化读写锁:
三种访问模式:
- 写锁:独占锁,类似
ReentrantReadWriteLock.WriteLock
- 悲观读锁:类似
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
- 乐观读:无锁读取,通过邮戳验证数据一致性
使用示例:
StampedLock stampedLock = new StampedLock();
// 写操作
long stamp = stampedLock.writeLock();
try {
// 写数据...
} finally {
stampedLock.unlockWrite(stamp);
}
// 悲观读
long stamp = stampedLock.readLock();
try {
// 读数据...
} finally {
stampedLock.unlockRead(stamp);
}
// 乐观读
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
// 读取共享数据...
if (!stampedLock.validate(stamp)) {
// 数据被修改,升级为悲观读锁
stamp = stampedLock.readLock();
try {
// 重新读取数据...
} finally {
stampedLock.unlockRead(stamp);
}
}
5. Condition (条件变量)
线程间协调通信机制:
使用示例(生产者-消费者模型):
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition notFull = lock.newCondition(); // 队列不满条件
Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 队列不空条件
// 生产者
lock.lock();
try {
while (queue.isFull()) {
notFull.await(); // 等待队列不满
}
queue.put(item);
notEmpty.signal(); // 唤醒消费者
} finally {
lock.unlock();
}
// 消费者
lock.lock();
try {
while (queue.isEmpty()) {
notEmpty.await(); // 等待队列不空
}
item = queue.take();
notFull.signal(); // 唤醒生产者
} finally {
lock.unlock();
}
三、高级锁技术
1. 锁的优化策略
- 锁粗化:将多个连续的锁请求合并为一个
- 锁消除:JVM 对不可能存在竞争的锁进行消除
- 偏向锁:无竞争时偏向第一个获取锁的线程
- 自旋锁:短时间等待时不挂起线程
- 适应性自旋:根据历史等待时间调整自旋次数
2. AQS (AbstractQueuedSynchronizer)
JUC 锁的底层框架:
AQS 核心组件:
- 状态变量 (volatile int state):表示锁的状态
- FIFO 等待队列:管理等待线程
- CAS 操作:保证状态更新的原子性
四、锁的性能对比
锁类型 | 适用场景 | 吞吐量 | 公平性 | 可重入 | 条件变量 |
---|---|---|---|---|---|
synchronized | 简单同步场景 | 中等 | 非公平 | 是 | 不支持 |
ReentrantLock | 复杂同步控制 | 高 | 可选 | 是 | 支持 |
ReentrantReadWriteLock | 读多写少 | 高(读) | 可选 | 是 | 支持 |
StampedLock | 读多写少,高性能要求 | 极高 | 非公平 | 否 | 不支持 |
五、锁的最佳实践
-
锁范围最小化:
// 错误做法 synchronized(this) { // 大量非同步代码 // 少量同步代码 } // 正确做法 // 非同步代码... synchronized(this) { // 仅同步必要部分 }
-
避免嵌套锁:
// 危险:容易导致死锁 synchronized(lockA) { synchronized(lockB) { // ... } }
-
使用 tryLock 避免死锁:
if (lockA.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) { try { if (lockB.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) { try { // 执行操作 } finally { lockB.unlock(); } } } finally { lockA.unlock(); } }
-
读写锁选择:
- 读操作 >> 写操作:使用
StampedLock
或ReentrantReadWriteLock
- 写操作频繁:使用
ReentrantLock
- 读操作 >> 写操作:使用
-
锁与内存可见性:
// 使用锁保证可见性 lock.lock(); try { sharedVariable = newValue; // 写操作 } finally { lock.unlock(); } // 读取时 lock.lock(); try { return sharedVariable; // 读操作 } finally { lock.unlock(); }
六、常见锁问题解决方案
-
死锁检测与解决:
- 使用
jstack
检测死锁 - 统一锁获取顺序
- 使用
tryLock
超时机制
- 使用
-
活锁问题:
- 引入随机退避时间
while (!lock.tryLock()) { Thread.sleep(random.nextInt(100)); // 随机退避 }
-
锁饥饿:
- 使用公平锁(但会降低吞吐量)
- 优化锁持有时间
七、锁的监控与诊断
-
JVM 内置监控:
jstack <pid> # 查看线程锁状态 jcmd <pid> Thread.print # 打印线程栈
-
可视化工具:
- JConsole
- VisualVM
- Java Mission Control
-
编程式监控:
ThreadMXBean bean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); long[] threadIds = bean.findDeadlockedThreads(); if (threadIds != null) { // 处理死锁 }
总结
JUC 锁提供了比传统 synchronized
更灵活、更强大的并发控制能力:
- ReentrantLock:基础互斥锁,支持公平/非公平选择
- ReentrantReadWriteLock:读写分离,优化读多写少场景
- StampedLock:高性能锁,支持乐观读
- Condition:精细化的线程协调机制
在实际开发中,应根据具体场景选择合适的锁:
- 简单同步 →
synchronized
- 复杂控制 →
ReentrantLock
- 读多写少 →
StampedLock
或ReentrantReadWriteLock
- 线程协调 →
Condition
遵循最佳实践,避免死锁和性能问题,结合监控工具确保并发程序的正确性和高性能。