引言
锁是 Java 并发编程的基础设施。从最古老的 `synchronized` 到 JDK 5 引入的 `ReentrantLock`，再到 JDK 8 的 `StampedLock`，Java 的锁机制经历了从 JVM 内置到 API 化再到乐观读的演进。理解每种锁的原理和适用场景，是写出高效并发代码的前提。
一、synchronized
1.1 基本用法
```java
// 1. 修饰实例方法：锁当前实例
public synchronized void method() {
// 同步代码
}
// 2. 修饰静态方法：锁当前类的 Class 对象
public static synchronized void staticMethod() {
// 同步代码
}
// 3. 修饰代码块：锁指定对象
public void method() {
synchronized (lock) {
// 同步代码
}
}
```
1.2 锁的原理：Monitor
```
每个 Java 对象关联一个 Monitor（监视器）
synchronized 进入：
monitorenter → 获取 Monitor 锁
synchronized 退出：
monitorexit → 释放 Monitor 锁
Monitor 结构：
┌────────────────────────────┐
│ _owner → 持有锁的线程 │
│ _entry_set → 等待获取锁 │
│ _wait_set → 调用 wait() │
└────────────────────────────┘
```
1.3 锁升级（偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁）
JDK 6 引入锁升级优化，`synchronized` 不再总是重量级锁：
```
无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
│ │ │ │
│ │ │ └─ 竞争激烈，OS 互斥量
│ │ └─ 自旋等待（CAS），适合短时间竞争
│ └─ 同一线程重复获取，无竞争，CAS 都不需要
└─ 对象刚创建，无任何线程访问
升级是单向的（不可降级，G1 下有例外）
```
| 锁状态 | 适用场景 | 获取方式 | 性能 |
|--------|----------|----------|------|
| 偏向锁 | 同一线程反复获取 | 检查偏向线程 ID | 最优 |
| 轻量级锁 | 交替执行，低竞争 | CAS 自旋 | 优 |
| 重量级锁 | 高竞争 | OS 互斥量 | 差 |
1.4 优缺点
| 优点 | 缺点 |
|------|------|
| JVM 内置，使用简单 | 无法中断等待锁的线程 |
| 锁升级自动优化 | 无法设置超时 |
| 异常自动释放锁 | 不支持公平锁 |
| 可重入 | 不支持条件变量（Condition） |
| | 在虚拟线程中会导致固定（Pinning） |
二、ReentrantLock
2.1 基本用法
```java
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
lock.lock();
try {
// 同步代码
} finally {
lock.unlock(); // 必须在 finally 中释放
}
}
```
2.2 公平锁 vs 非公平锁
```java
// 非公平锁（默认）：新来的线程可能插队
ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock();
// 公平锁：按等待顺序获取锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
```
| 对比 | 非公平锁 | 公平锁 |
|------|----------|--------|
| 获取顺序 | 可能插队 | FIFO 排队 |
| 吞吐量 | 高 | 低 |
| 饥饿风险 | 有（线程可能永远等不到） | 无 |
| 实现原理 | CAS 直接尝试 | 先入队列排队 |
2.3 可中断锁
```java
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t = new Thread(() -> {
try {
lock.lockInterruptibly(); // 可被中断的锁获取
try {
doWork();
} finally {
lock.unlock();
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("被中断，放弃获取锁");
}
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
t.interrupt(); // 中断等待锁的线程
```
2.4 超时获取锁
```java
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
if (lock.tryLock()) {
try {
doWork();
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
System.out.println("获取锁失败，执行降级逻辑");
}
// 带超时
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
doWork();
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
System.out.println("5秒内未获取锁");
}
```
2.5 Condition 条件变量
```java
// synchronized 只有一个 wait set
// ReentrantLock 支持多个 Condition，实现精准唤醒
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Object\[\] items = new Object10;
private int count, putIdx, takeIdx;
public void put(Object item) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length) {
notFull.await(); // 队列满，等待 notFull 条件
}
itemsputIdx = item;
if (++putIdx == items.length) putIdx = 0;
count++;
notEmpty.signal(); // 通知消费者
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
notEmpty.await(); // 队列空，等待 notEmpty 条件
}
Object item = itemstakeIdx;
itemstakeIdx = null;
if (++takeIdx == items.length) takeIdx = 0;
count--;
notFull.signal(); // 通知生产者
return item;
} finally {
lock.unlock();
}
}
```
2.6 synchronized vs ReentrantLock
| 对比 | synchronized | ReentrantLock |
|------|-------------|---------------|
| 实现 | JVM 内置 | JDK API（AQS） |
| 锁获取 | 自动 | 手动 lock/unlock |
| 可中断 | ❌ | ✅ lockInterruptibly |
| 超时 | ❌ | ✅ tryLock(timeout) |
| 公平性 | 非公平 | 可选公平/非公平 |
| 条件变量 | wait/notify（一个） | Condition（多个） |
| 锁升级 | 偏向→轻量→重量 | 无 |
| 虚拟线程 | 固定（Pinning） | 正常卸载 |
| 异常安全 | 自动释放 | 需 finally 手动释放 |
三、ReadWriteLock
3.1 读写分离
```java
// 读读不互斥，读写互斥，写写互斥
private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock readLock = rwLock.readLock();
private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();
private Map<String, Data> cache = new HashMap<>();
public Data get(String key) {
readLock.lock();
try {
return cache.get(key);
} finally {
readLock.unlock();
}
}
public void put(String key, Data value) {
writeLock.lock();
try {
cache.put(key, value);
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
```
3.2 ReentrantReadWriteLock 特性
| 特性 | 说明 |
|------|------|
| 公平性 | 支持公平/非公平模式 |
| 重入 | 读锁和写锁都支持重入 |
| 锁降级 | 写锁可降级为读锁（获取写锁→获取读锁→释放写锁） |
| 锁升级 | 读锁不能升级为写锁（会死锁） |
```java
// 锁降级：写锁 → 读锁
writeLock.lock();
try {
updateData();
readLock.lock(); // 获取读锁
} finally {
writeLock.unlock(); // 释放写锁，此时持有读锁
}
try {
readData(); // 在读锁保护下读取
} finally {
readLock.unlock();
}
```
3.3 读写锁的问题
-
**写饥饿**：读操作频繁时，写线程可能长时间获取不到写锁
-
**不支持乐观读**：即使只是读取，也需要获取读锁
四、StampedLock
4.1 核心思想
StampedLock 在 ReadWriteLock 基础上引入了**乐观读（Optimistic Read）**：
```
ReadWriteLock：
读锁 → 获取读锁 → 读取 → 释放读锁（每次都要 CAS）
StampedLock：
乐观读 → 获取戳 → 读取 → 验证戳 → 成功则无需 CAS
→ 失败则升级为读锁重试
```
4.2 三种模式
| 模式 | 说明 | 类比 |
|------|------|------|
| 写锁（Writing） | 独占锁，与读锁互斥 | ReadWriteLock 的写锁 |
| 读锁（Reading） | 共享锁，与写锁互斥 | ReadWriteLock 的读锁 |
| 乐观读（Optimistic Reading） | 无锁读取，验证后使用 | 数据库的乐观锁 |
4.3 基本用法
```java
private final StampedLock sl = new StampedLock();
private double x, y;
// 写操作
void move(double deltaX, double deltaY) {
long stamp = sl.writeLock();
try {
x += deltaX;
y += deltaY;
} finally {
sl.unlockWrite(stamp);
}
}
// 乐观读
double distanceFromOrigin() {
long stamp = sl.tryOptimisticRead(); // 1. 获取乐观读戳
double currentX = x, currentY = y; // 2. 读取数据（无锁）
if (!sl.validate(stamp)) { // 3. 验证戳（期间是否有写操作？）
stamp = sl.readLock(); // 4. 验证失败，升级为读锁
try {
currentX = x;
currentY = y;
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
}
// 悲观读
double distanceFromOriginPessimistic() {
long stamp = sl.readLock();
try {
return Math.sqrt(x * x + y * y);
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
```
4.4 锁转换
```java
// 读锁 → 写锁
long stamp = sl.readLock();
try {
long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
if (ws != 0L) {
stamp = ws;
// 持有写锁
} else {
sl.unlockRead(stamp);
stamp = sl.writeLock();
}
} finally {
sl.unlock(stamp);
}
// 乐观读 → 读锁
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
if (!sl.validate(stamp)) {
stamp = sl.readLock();
try {
// 重新读取
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
```
4.5 StampedLock 注意事项
| 注意 | 说明 |
|------|------|
| 不可重入 | 同一线程不能重复获取同一锁 |
| 不支持 Condition | 没有 newCondition() 方法 |
| 不要用 interrupt | 不要在 readLock/writeLock 中调用 interrupt |
| unlock 必须传 stamp | 传入错误的 stamp 会抛 IllegalMonitorStateException |
| 乐观读适合读多写少 | 写频繁时乐观读经常失败，反而更慢 |
五、锁选型指南
5.1 决策树
```
需要锁吗？
├─ 能否用无锁方案？（Atomic* / Concurrent集合）
│ ├─ 能 → 优先无锁
│ └─ 不能 ↓
├─ 读多写少？
│ ├─ 是 → 读远多于写？
│ │ ├─ 是 → StampedLock（乐观读）
│ │ └─ 否 → ReentrantReadWriteLock
│ └─ 否 ↓
├─ 需要高级功能？（中断/超时/多条件/公平）
│ ├─ 是 → ReentrantLock
│ └─ 否 → synchronized（简单场景优先）
├─ 在虚拟线程中使用？
│ ├─ 是 → ReentrantLock（避免 synchronized 固定）
│ └─ 否 → synchronized
```
5.2 性能对比（大致参考）
```
低竞争：synchronized ≈ ReentrantLock > StampedLock
中竞争：StampedLock > ReentrantLock > synchronized
高竞争：StampedLock(乐观读) >> ReentrantReadWriteLock > ReentrantLock > synchronized
读多写少：StampedLock(乐观读) >> ReentrantReadWriteLock >> synchronized
```
5.3 速查表
| 场景 | 推荐锁 | 原因 |
|------|--------|------|
| 简单互斥 | synchronized | 简单，JVM 优化好 |
| 需要中断/超时 | ReentrantLock | lockInterruptibly / tryLock |
| 需要公平锁 | ReentrantLock(true) | synchronized 不支持 |
| 需要多条件唤醒 | ReentrantLock + Condition | synchronized 只有一个 wait set |
| 读多写少 | StampedLock | 乐观读无锁，性能最优 |
| 虚拟线程中 | ReentrantLock | synchronized 导致固定 |
| 缓存场景 | ReentrantReadWriteLock | 读写分离 |
| 高并发点数据 | StampedLock | 乐观读 + 锁转换 |
六、锁的性能优化技巧
6.1 减小锁粒度
```java
// ❌ 锁范围过大
synchronized (this) {
validate(data); // 无需锁
process(data); // 需要锁
log(data); // 无需锁
}
// ✅ 只锁必要部分
validate(data);
synchronized (this) {
process(data);
}
log(data);
```
6.2 减小锁粒度（分段锁）
```java
// ❌ 一把大锁
synchronized (allAccounts) {
transfer(from, to, amount);
}
// ✅ 分段锁（类似 ConcurrentHashMap）
private final Object\[\] locks = new Object16;
{
for (int i = 0; i < locks.length; i++) locksi = new Object();
}
void transfer(Account from, Account to, int amount) {
Object lock1 = locksMath.abs(from.hashCode() % 16);
Object lock2 = locksMath.abs(to.hashCode() % 16);
// 按固定顺序加锁，避免死锁
Object first = System.identityHashCode(lock1) < System.identityHashCode(lock2) ? lock1 : lock2;
Object second = first == lock1 ? lock2 : lock1;
synchronized (first) {
synchronized (second) {
from.debit(amount);
to.credit(amount);
}
}
}
```
6.3 避免锁嵌套
```java
// ❌ 锁嵌套，容易死锁
synchronized (lockA) {
synchronized (lockB) {
doWork();
}
}
// ✅ 拆分：先获取所有锁，再操作
// 或使用 tryLock 避免无限等待
if (lockA.tryLock()) {
try {
if (lockB.tryLock()) {
try {
doWork();
} finally {
lockB.unlock();
}
}
} finally {
lockA.unlock();
}
}
```
总结
| 锁 | 一句话 | 适用场景 |
|----|--------|----------|
| synchronized | 简单可靠，JVM 优化 | 简单互斥，低竞争 |
| ReentrantLock | 功能丰富，API 灵活 | 需要中断/超时/公平/多条件 |
| ReentrantReadWriteLock | 读写分离 | 读多写少，但写不极少 |
| StampedLock | 乐观读，极致性能 | 读远多于写，追求极致吞吐 |