JDK Locks 设计及工作原理与教程
一、锁设计的哲学：为什么需要锁？
在多线程环境下，竞态条件（Race Condition）是万恶之源。
锁的本质是提供一种内存可见性和操作原子性的保证。
核心矛盾：性能 vs. 安全。锁的设计就是在吞吐量和数据一致性之间寻找平衡点。
二、JDK 锁体系架构全景图
├── 悲观锁（阻塞式） │ ├── synchronized（JVM内置锁） │ └── ReentrantLock（API级锁） │ ├── 公平/非公平模式 │ └── 可中断/超时机制 ├── 乐观锁（非阻塞式） │ └── CAS + AtomicXXX（硬件级支持） └── 读写锁分离 ├── ReentrantReadWriteLock └── StampedLock（JDK 8+，乐观读）三、synchronized：JVM 的"亲儿子"
3.1 底层原理
// 代码层面 public synchronized void method() { ... } // 字节码层面 // ACC_SYNCHRONIZED 标志位 → 进入 monitorenter → 退出 monitorexit3.2 锁升级过程（JDK 1.6 优化）
无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁（CAS自旋） → 重量级锁（OS互斥量）关键设计思想：
偏向锁：一个线程反复获取锁，消除同步开销（默认延迟4秒启用）
轻量级锁：多线程交替执行，使用CAS自旋，避免线程阻塞
重量级锁：竞争激烈时，挂起线程，让出CPU
3.3 实战示例
public class SynchronizedDemo { private int counter = 0; // 修饰实例方法：锁是当前实例对象 public synchronized void increment() { counter++; } // 修饰静态方法：锁是Class对象 public static synchronized void staticMethod() { // ... } // 同步代码块：更细粒度控制 public void blockLock() { Object lock = new Object(); synchronized (lock) { // 临界区代码 } } }四、ReentrantLock：API 级的全能选手
4.1 核心设计架构
ReentrantLock └── Sync（继承AbstractQueuedSynchronizer） ├── NonfairSync（非公平，默认） └── FairSync（公平）AQS 核心三要素：
state：volatile int，表示锁状态（0=未占用，>0=重入次数）
CLH队列：双向链表，存储等待线程
CAS操作：原子更新state
4.2 关键源码解析
// 非公平锁的 lock() 实现 final void lock() { // 上来先抢一次，不管队列（非公平核心） if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); // 尝试获取失败则入队 } // acquire 流程（模板方法模式） public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }4.3 与 synchronized 对比
| 特性 | synchronized | ReentrantLock |
|---|---|---|
| 实现方式 | JVM内置 | Java API |
| 锁释放 | 自动（异常也释放） | 需在finally中unlock() |
| 可中断性 | 不支持 | lockInterruptibly() |
| 超时尝试 | 不支持 | tryLock(timeout) |
| 公平性 | 非公平 | 支持公平/非公平 |
| 条件等待 | wait/notify | Condition（多路通知） |
| 性能（JDK 1.6+） | 接近（已优化） | 相近 |
4.4 标准使用模式
public class ReentrantLockDemo { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁 private final Condition condition = lock.newCondition(); private int count = 0; public void doWork() { lock.lock(); try { // 业务逻辑 count++; condition.signalAll(); // 唤醒等待线程 } finally { lock.unlock(); // 必须释放！ } } public void waitForCondition() throws InterruptedException { lock.lockInterruptibly(); // 可中断 try { while (count < 10) { condition.await(); // 释放锁并等待 } } finally { lock.unlock(); } } }五、读写锁：读读并发，读写互斥
5.1 ReentrantReadWriteLock 设计
public class ReadWriteLockDemo { private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); private final Lock readLock = rwl.readLock(); private final Lock writeLock = rwl.writeLock(); private Map<String, Object> cache = new HashMap<>(); // 读操作：多线程可并发 public Object get(String key) { readLock.lock(); try { return cache.get(key); } finally { readLock.unlock(); } } // 写操作：独占 public void put(String key, Object value) { writeLock.lock(); try { cache.put(key, value); } finally { writeLock.unlock(); } } }注意陷阱：锁降级（写锁降级为读锁）可行，但锁升级（读锁升级为写锁）会导致死锁！
5.2 StampedLock：乐观读优化（JDK 8+）
public class StampedLockDemo { private final StampedLock sl = new StampedLock(); private int x = 0, y = 0; // 乐观读：无锁读取，验证后决定是否重试 public int distanceFromOrigin() { long stamp = sl.tryOptimisticRead(); int curX = x, curY = y; if (!sl.validate(stamp)) { // 被修改了，升级为悲观读 stamp = sl.readLock(); try { curX = x; curY = y; } finally { sl.unlockRead(stamp); } } return (int) Math.sqrt(curX * curX + curY * curY); } }适用场景：读多写少，且读操作可容忍短暂不一致。
六、CAS：无锁并发基石
6.1 原理
// 模拟 CAS 操作（实际由硬件指令 cmpxchg 支持） public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { // 如果当前值 == expect，则更新为 update // 否则返回 false return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }三大问题：
ABA问题→ 使用
AtomicStampedReference带版本号自旋开销→ 自适应自旋或退让
单变量限制→ 使用
AtomicReference封装多个变量
6.2 原子类实战
// 基本类型 AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0); atomicInt.incrementAndGet(); // ++i // 引用类型 AtomicReference<Student> ref = new AtomicReference<>(); ref.compareAndSet(old, new); // 累加器（高吞吐量，但弱一致性） LongAdder adder = new LongAdder(); adder.increment(); long sum = adder.sum(); // 最终一致性七、锁优化最佳实践
7.1 锁粒度控制
// ❌ 坏：锁住整个方法 public synchronized void bad() { // 1. 耗时计算（不需要同步） // 2. 少量共享数据操作 } // ✅ 好：只锁临界区 public void good() { // 耗时计算 synchronized (this) { // 只同步必要部分 } }7.2 锁分离策略
// 使用 ThreadLocal 避免锁 ThreadLocal<SimpleDateFormat> tl = ThreadLocal.withInitial(SimpleDateFormat::new); // 使用 ConcurrentHashMap 分段锁（JDK 1.7） // JDK 1.8 改为 CAS + synchronized 优化7.3 死锁预防
// 破坏循环等待：统一锁顺序 public void transfer(Account from, Account to, int amount) { // 按 hash 值排序，确保获取锁顺序一致 int fromHash = System.identityHashCode(from); int toHash = System.identityHashCode(to); if (fromHash < toHash) { synchronized (from) { synchronized (to) { /* ... */ } } } else { synchronized (to) { synchronized (from) { /* ... */ } } } }7.4 性能对比建议
| 场景 | 推荐方案 |
|---|---|
| 竞争不激烈，代码简单 | synchronized（JVM优化） |
| 需要公平锁/中断/超时 | ReentrantLock |
| 读多写少（缓存） | StampedLock（乐观读）或ReadWriteLock |
| 计数器累加 | LongAdder |
| 高并发 Map | ConcurrentHashMap |
| 单变量原子更新 | AtomicXXX |
八、面试高频问题
Q1：synchronized 和 ReentrantLock 性能谁好？
JDK 1.6 后两者性能相近。synchronized 在低竞争时有偏向锁优化，ReentrantLock 在中高竞争时可中断等待，更灵活。
Q2：AQS 中的 state 有什么作用？
表示锁状态，独占模式下 0=空闲，>0=重入次数；共享模式下表示剩余资源数。
Q3：公平锁为什么性能比非公平锁差？
公平锁需要检查等待队列，且上下文切换频繁。非公平锁允许插队，减少了线程挂起/唤醒开销。
Q4：锁的可重入性如何实现？
在持有锁的线程再次获取时，判断当前持有线程是否为自身，是则 state+1，释放时 state-1。
九、总结：锁选型决策树
是否需要可中断/超时？ ├─ 是 → ReentrantLock └─ 否 → 竞争是否激烈？ ├─ 低 → synchronized（JVM帮你优化） └─ 高 → 读多写少？ ├─ 是 → StampedLock（乐观读） └─ 否 → ReentrantLock + Condition记住：锁的最佳实践不是"用什么锁"，而是"能不能不用锁"。无锁化（CAS、ThreadLocal、不可变对象）才是终极追求。