Java中常见的锁synchronized、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

在Java中，锁是实现多线程同步的核心机制。不同的锁适用于不同的场景，理解其实现原理和使用方法对优化性能和避免并发问题至关重要。

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一、隐式锁：synchronized 关键字

实现原理

• 基于对象监视器（Monitor）：每个Java对象都有一个内置的监视器锁（monitor lock），通过 synchronized 关键字获取。
• 锁升级机制（JVM优化）：
  • 偏向锁：无竞争时，标记线程ID，避免CAS操作。
  • 轻量级锁：通过CAS竞争锁，失败后升级为重量级锁。
  • 重量级锁：通过操作系统互斥量（mutex）实现线程阻塞。

使用方法

// 1. 同步代码块
synchronized (obj) { // 临界区代码
}// 2. 同步实例方法
public synchronized void method() { }// 3. 同步静态方法
public static synchronized void method() { }

适用场景

• 简单同步需求：无需复杂锁功能的场景（如可中断、超时等）。
• 代码简洁性优先：自动释放锁，避免忘记解锁的风险。

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二、显式锁：ReentrantLock

实现原理

• 基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：
  • 通过 state 变量（CAS操作）记录锁状态。
  • 使用CLH队列管理等待线程。
• 支持公平性：可选择公平锁（按排队顺序获取）或非公平锁（插队竞争）。

使用方法

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 临界区代码
} finally {lock.unlock(); // 必须手动释放
}// 高级功能示例：尝试获取锁
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {try { /* ... */ } finally { lock.unlock(); }
}

适用场景

• 复杂锁需求：需要可中断、超时、公平性等特性。
• 细粒度控制：如跨方法加锁解锁（synchronized 只能在代码块内）。

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三、读写锁：ReentrantReadWriteLock

实现原理

• 分离读锁（共享）和写锁（独占）：
  • 读锁允许多线程并发读，写锁独占。
  • AQS的 state 高16位记录读锁，低16位记录写锁。

使用方法

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();// 读操作
readLock.lock();
try { /* 读数据 */ } finally { readLock.unlock(); }// 写操作
writeLock.lock();
try { /* 写数据 */ } finally { writeLock.unlock(); }

适用场景

• 读多写少：如缓存系统、高频查询场景。
• 数据一致性要求：写操作需要互斥，读操作可并发。

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四、乐观锁：StampedLock（Java 8+）

实现原理

• 基于票据（Stamp）的锁机制：
  • 支持三种模式：写锁、悲观读锁、乐观读。
  • 乐观读不阻塞写操作，通过验证Stamp判断数据一致性。

使用方法

StampedLock stampedLock = new StampedLock();// 乐观读
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
// 读取数据
if (!stampedLock.validate(stamp)) {// 数据被修改，升级为悲观读锁stamp = stampedLock.readLock();try { /* 重新读取数据 */ } finally { stampedLock.unlockRead(stamp); }
}// 写锁
long stamp = stampedLock.writeLock();
try { /* 写数据 */ } finally { stampedLock.unlockWrite(stamp); }

适用场景

• 读多写少且容忍数据不一致：如统计、日志处理。
• 极高性能需求：乐观读避免锁竞争，但需处理验证逻辑。

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五、其他锁机制

1. Condition 条件变量

• 与 ReentrantLock 配合使用，实现线程间协作（类似 wait/notify）。
• 典型场景：生产者-消费者模型。

2. 分布式锁

• 如基于Redis的 Redisson 或ZooKeeper实现。
• 适用场景：跨JVM或分布式系统同步。

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六、锁的选择与性能优化

锁对比表

锁类型	特性	性能	适用场景
synchronized	自动释放，非公平锁	低竞争时高效	简单同步需求
ReentrantLock	可中断、超时、公平锁	高竞争时高效	复杂锁需求
ReadWriteLock	读写分离	读多写少高效	缓存、查询系统
StampedLock	乐观读，支持锁升级	极高并发	读多写少，容忍数据不一致

最佳实践

1. 减少锁粒度：缩小临界区范围。
2. 避免嵌套锁：防止死锁（如按固定顺序获取锁）。
3. 监控锁竞争：使用JProfiler或JStack分析锁状态。

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七、总结

• 简单场景优先选择 synchronized（JVM优化成熟）。
• 复杂需求使用 ReentrantLock 或 ReadWriteLock。
• 极致性能考虑 StampedLock，但需谨慎处理数据一致性。

合理选择锁类型，结合性能测试和监控，是构建高效并发系统的关键。