Java多线程编程核心深入解析synchronized与Lock的并发控制机制

最新推荐文章于 2025-12-05 08:35:30 发布

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#软件工程

并发控制机制概述

在多线程编程中，当多个线程试图同时访问和修改共享资源时，可能会导致数据不一致或操作错误的情形，这种现象称为竞态条件（Race Condition）。为了保证数据的一致性和线程安全，Java提供了多种并发控制机制，其中最为核心和常用的便是synchronized关键字和Lock接口。它们通过对临界区（Critical Section）的访问进行串行化，确保同一时刻只有一个线程可以执行特定的代码段，从而实现线程间的同步。

synchronized关键字及其实现原理

synchronized是Java语言内置的互斥锁机制，使用方便，由JVM负责实现和管理。它可以用于修饰实例方法、静态方法以及代码块。

底层实现与Monitor机制

synchronized的同步基于进入和退出Monitor对象实现。每个Java对象都可以关联一个Monitor（监视器锁或管程）。当线程执行到synchronized修饰的代码时，它会尝试获取该对象对应的Monitor的所有权。获取成功则持有锁，并执行同步代码；执行完毕后释放锁。

在JVM层面，同步代码块的实现是通过monitorenter和monitorexit指令完成的。同步方法则依靠方法常量池中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志来隐式实现。锁的升级优化（偏向锁->轻量级锁->重量级锁）是synchronized为了提高性能而引入的重要特性，旨在减少获得锁和释放锁带来的性能开销。

synchronized的特点

synchronized的主要特点是依赖于JVM内置实现，使用简单，无需手动释放锁（即使在发生异常时，锁也会被自动释放）。但它也有一些局限性，例如锁的获取和释放方式固定，不够灵活；无法中断一个正在等待锁的线程；尝试获取锁时如果失败会一直阻塞，无法设置超时。

Lock接口及其实现机制

Lock接口是Java 5在java.util.concurrent.locks包中引入的显式锁机制。它提供了比synchronized更丰富的操作，需要程序员显式地获取和释放锁，通常与try-finally语句块配合使用，以确保锁必然被释放。

核心实现：AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

Lock接口的核心实现基础是抽象队列同步器（AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（state）来表示同步状态，并通过一个内置的FIFO队列来管理所有等待锁的线程。ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等常见的锁实现都是基于AQS构建的。

以ReentrantLock为例，它通过CAS（Compare-And-Swap）操作来修改state的值以尝试获取锁。成功则将当前线程设置为锁的独占 owner。若获取失败，则将当前线程包装成一个节点（Node）加入同步队列，并可能挂起线程。

Lock的优势与灵活性

相比synchronized，Lock提供了更高的灵活性：

1. 可中断锁：使用lockInterruptibly()方法，等待锁的线程可以响应中断。
2. 超时获取锁：tryLock(long time, TimeUnit unit)方法允许线程在指定的时间内尝试获取锁，超时则返回false，避免无限期等待。
3. 非阻塞尝试：tryLock()方法尝试获取锁，成功返回true，失败立即返回false，不会阻塞线程。
4. 公平性选择：ReentrantLock等实现可以构造为公平锁（先等待的线程先获得锁）或非公平锁，而synchronized是非公平的。

synchronized与Lock的对比与选型

选择synchronized还是Lock取决于具体的应用场景：

1. 简单性与可靠性：对于大多数简单的同步需求，synchronized因其语法简洁、由JVM自动管理而更具优势，不易出错。
2. 高级功能需求：当需要尝试非阻塞地获取锁、可中断的锁获取、超时机制或公平锁等高级功能时，必须选择Lock。
3. 性能考量：在竞争不激烈的情况下，synchronized经过锁升级优化后性能与Lock相当甚至更优。但在高竞争场景下，Lock（特别是非公平模式）通常能提供更好的吞吐量。
4. 编程范式：synchronized是语言内置特性，与对象头紧密相关；Lock是API层面的接口，提供了更面向对象的同步操作方式。

总结

synchronized和Lock都是Java中实现线程同步的强大工具，它们各有其适用的场景和优缺点。理解其底层实现机制——synchronized基于JVM的Monitor和锁升级，Lock基于AQS和CLH队列——有助于开发者做出更明智的技术选型，编写出高效、健壮的多线程程序。在实际开发中，应优先考虑synchronized的简洁性，仅在需要Lock提供的特定高级功能时，才选择使用Lock。