【面试真题拆解】Java锁机制：synchronized、ReentrantLock、锁升级、可重入锁

一句话速通：

Java 锁机制核心是 synchronized 和 ReentrantLock，两者都是可重入锁；

JDK 1.6+ 后 synchronized 引入锁升级（无锁➡️偏向锁➡️轻量级锁➡️重量级锁），性能大幅提升；

简单场景优先用 synchronized，需要高级功能（比如可中断、可超时、公平锁）时用 ReentrantLock。

为什么需要锁？

在并发场景下，多个线程同时修改同一个共享变量，会出现线程安全问题。

举个例子说明一下：

java 复制代码

public class UnsafeCounter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++; // 这行代码不是原子操作！
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

如果1000个线程同时调用 increment()，最终 count 的值很可能小于1000。

因为 count++ 不是原子操作，它分为读取count 、count+1 、写回count三步，多线程同时执行会互相覆盖。

锁的作用就是把这段代码加锁，让同一时间只有一个线程能执行，从而保证操作的原子性。

synchronized

synchronized 是JVM内置的关键字，不需要手动释放锁。

用法	锁的对象	示例
锁实例方法	锁当前对象 `this`	`public synchronized void increment()`
锁静态方法	锁当前类的 `Class` 对象	`public static synchronized void increment()`
锁代码块	锁指定的对象	`synchronized (lock) { ... }`

可以用synchronized给之前的例子上锁：

java 复制代码

public class SafeCounter {
    private int count = 0;

    // 锁实例方法：同一时间只有一个线程能执行
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent（JUC）包下的锁，是基于代码实现的锁，比 synchronized 更灵活，但需要手动释放锁。

也可以用ReentrantLock给之前的例子上锁：

java 复制代码

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockCounter {
    private int count = 0;
    // 创建 ReentrantLock 实例
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock(); // 加锁
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock(); // 必须在 finally 里释放锁，防止死锁
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

ReentrantLock 有3个 synchronized 没有的功能：

功能	说明	示例
可中断	线程在等待锁的过程中，可以被中断，停止等待	`lock.lockInterruptibly()`
可超时	尝试获取锁，等待一段时间后如果还没拿到，就放弃	`lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)`
公平锁	按线程请求锁的顺序分配锁（先来先得），默认是非公平锁	`new ReentrantLock(true)`

可重入锁

synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。

那什么是可重入呢？

可重入的意思就是同一个线程，可以多次获取同一把锁，不会被自己阻塞。

那又为什么需要可重入呢？

举个递归调用的例子：

java 复制代码

public class ReentrantExample {
    //  synchronized 是可重入的
    public synchronized void methodA() {
        System.out.println("执行 methodA");
        methodB(); // 调用 methodB，methodB 也需要同一把锁
    }

    public synchronized void methodB() {
        System.out.println("执行 methodB");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantExample example = new ReentrantExample();
        example.methodA();
    }
}

如果锁是不可重入的，那么线程在执行 methodA() 时已经拿到了锁，调用 methodB() 时会因为拿不到锁而被自己阻塞，导致死锁。

synchronized 的锁升级

在 JDK 1.6 之前，synchronized 是重量级锁，性能很差；

JDK 1.6 之后，引入了锁升级机制，提升了 synchronized 的性能。

锁升级的意思是：

随着多线程竞争的加剧，锁会从【无锁】➡️【偏向锁】➡️【轻量级锁】➡️【重量级锁】逐步升级，而且升级是单向的，只能升不能降。

Java对象在内存中分为3部分：

对象头、实例数据、对齐填充，其中对象头里的 Mark Word 会记录锁的状态。

而synchronized 的锁是存放在【对象头】里的。

Mark Word 的结构（32 位 JVM）：

锁状态	25位	4位	1位（是否偏向锁）	2位（锁标志位）
无锁	对象的哈希码	分代年龄	0	01
偏向锁	偏向线程ID	分代年龄	1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针			00
重量级锁	指向重量级锁（monitor）的指针			10

锁升级的四个阶段

1. 无锁

没有线程竞争锁，对象处于无锁状态。

2. 偏向锁

只有一个线程多次获取同一把锁，没有其他线程竞争。

第一个线程获取锁时，会在对象头的 Mark Word 里记录【偏向线程ID】，这个线程以后再次获取锁时，只需要检查偏向线程ID是不是自己，如果是，直接获取锁。

当有第二个线程来竞争这把锁时，偏向锁会撤销，升级为轻量级锁。

3. 轻量级锁

多个线程交替获取锁，但是竞争不太激烈（比如线程A获取锁，执行完释放了，线程B再获取）。

线程在自己的栈帧里创建一个锁记录（Lock Record），用 CAS（Compare And Swap，比较并交换）操作，尝试把对象头的 Mark Word 替换成指向自己栈中锁记录的指针。

如果 CAS 成功，就获取到了轻量级锁。

当有多个线程同时竞争锁，CAS 失败多次，就会升级为重量级锁。

4. 重量级锁

多个线程同时竞争锁，竞争激烈。

锁升级为重量级锁后，对象头的 Mark Word 会指向一个monitor（监视器）对象。

没有获取到锁的线程会进入阻塞队列，被操作系统挂起，等待持有锁的线程释放锁后唤醒。