Java锁机制深度解析：从synchronized到StampedLock

最新推荐文章于 2025-11-23 13:27:25 发布

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在并发编程中，锁是保障线程安全的核心机制。本文将系统剖析Java中各类锁的实现原理、适用场景及性能差异，助你精准选择并发控制方案。

一、锁的本质与核心作用

在多线程环境中，锁用于解决两类问题：

互斥（Mutual Exclusion）：保证同一时刻只有一个线程访问共享资源
可见性（Visibility）：确保共享变量的修改对其他线程立即可见

Java内存模型(JMM)通过happens-before原则保证锁的可见性：

解锁操作 happens-before 后续的加锁操作

二、内置锁：synchronized 关键字

1. 实现原理

public synchronized void method() { 
    // 临界区 
}

// 等价于
public void method() {
    this.intrinsicLock.lock();
    try {
        // 临界区
    } finally {
        this.intrinsicLock.unlock();
    }
}

对象头Mark Word：锁状态存储在对象头中（无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁）
Monitor监视器：每个对象关联一个Monitor（C++实现）
锁升级路径：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

2. 锁升级过程（JDK 6+优化）

锁状态	特点	适用场景
偏向锁	仅第一次CAS设置线程ID	单线程访问场景
轻量级锁	自旋尝试获取锁（避免OS阻塞）	低竞争、短临界区
重量级锁	通过OS互斥量阻塞线程	高竞争、长临界区

⚠️ 锁降级在HotSpot中不会发生

三、显式锁：Lock接口及其实现

1. ReentrantLock（可重入锁）

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock(); // 必须放在finally块
}

核心特性：

可重入：同线程可多次获取锁（记录重入次数）
公平性：支持公平/非公平模式（默认非公平）
可中断：lockInterruptibly()支持中断等待
超时机制：tryLock(long time, TimeUnit unit)

2. ReentrantReadWriteLock（读写锁）

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();   // 共享锁
Lock writeLock = rwLock.writeLock(); // 排他锁

锁降级示例：

writeLock.lock();
try {
    // 写操作...
    readLock.lock(); // 锁降级开始
} finally {
    writeLock.unlock(); 
}
try {
    // 读操作（仍受读锁保护）
} finally {
    readLock.unlock();
}

⚠️ 不支持锁升级（读锁→写锁会死锁）

四、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

所有显式锁的底层实现基础（JDK 15中60%的并发类依赖AQS）

AQS核心结构

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer {
    // 同步状态（volatile int）
    private volatile int state;
    
    // CLH队列（双向链表）
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
}

关键操作流程

五、锁的性能优化策略

1. 减小锁粒度

// 错误示例：整个方法加锁
public synchronized void process(Data data) { /*...*/ }

// 改进方案：只锁必要部分
public void process(Data data) {
    preProcess();
    synchronized(this) {
        // 仅同步核心逻辑
    }
    postProcess();
}

2. 锁分段技术（如ConcurrentHashMap）

// JDK 7实现：Segment数组
final Segment<K,V>[] segments;

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock {
    // 每个Segment独立加锁
}

3. ThreadLocal避免锁竞争

private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter = 
    ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));

六、特殊锁机制详解

1. StampedLock（JDK 8+）

StampedLock sl = new StampedLock();

// 乐观读（不阻塞写线程）
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
if (!sl.validate(stamp)) { // 检查期间是否有写操作
    stamp = sl.readLock(); // 升级为悲观读锁
    try {
        // 重新读取
    } finally {
        sl.unlockRead(stamp);
    }
}

三种访问模式：

模式	方法	特点
写锁	writeLock()	独占访问
悲观读锁	readLock()	共享访问
乐观读	tryOptimisticRead()	无锁读（需验证）

2. Condition条件变量

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition notEmpty = lock.newCondition();

// 生产者
lock.lock();
try {
    while (queue.isFull())
        notEmpty.await(); // 释放锁并等待
    // 生产数据...
    notFull.signal(); // 唤醒消费者
} finally {
    lock.unlock();
}

七、锁的注意事项

死锁预防：
- 避免嵌套锁（lock nesting）
- 使用tryLock设置超时
- 统一加锁顺序

性能监控：

# 查看锁竞争情况
jstack <PID> | grep -A 10 "BLOCKED"

# JFR记录锁事件
jcmd <PID> JFR.start duration=60s filename=lock.jfr

最佳实践：

- 读多写少 → ReentrantReadWriteLock/StampedLock
- 写多读少 → ReentrantLock
- 简单同步 → synchronized
- 无锁算法 → Atomic*/LongAdder

八、锁与内存语义

操作	内存语义	等效操作
锁释放	将本地内存修改刷新到主内存	volatile写
锁获取	使本地缓存失效，从主内存读取	volatile读

这也是为什么ReentrantLock能保证可见性

九、总结：锁的选择决策树

高级功能包括：

可中断锁
超时获取
公平锁
条件等待

推荐诊断工具：

Arthas：monitor命令监控方法锁竞争
JConsole：线程死锁检测
Java Flight Recorder：分析锁竞争事件

记住：锁优化永无止境，但无锁才是终极目标。