Java中锁的分类及机制详解

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一、锁的本质与分类体系

在多线程编程中，锁是协调资源访问的核心机制。Java的锁体系可分为三个维度：

1. 按线程竞争策略：悲观锁 vs 乐观锁
2. 按锁的公平性：公平锁 vs 非公平锁
3. 按实现层级：JVM内置锁 vs JDK显式锁

二、悲观锁与乐观锁

1. 悲观锁（Pessimistic Locking）

认为并发冲突必然发生，典型代表是synchronized关键字：

java
public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
this.balance -= amount;
target.balance += amount;
}

特性：
– 独占资源直至释放
– 适合写操作频繁场景
– 可能引发线程阻塞

2. 乐观锁（Optimistic Locking）

假设冲突概率低，采用版本号/CAS机制实现。如AtomicInteger：

java
AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
counter.incrementAndGet(); // 基于CAS操作

实现要点：
– 比较并交换（Compare-And-Swap）
– 适合读多写少场景
– 需处理失败重试

三、公平锁与非公平锁

1. 公平锁（Fair Lock）

按照线程申请顺序分配资源，如：

java
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

特点：
– 避免线程饥饿
– 上下文切换开销较大

2. 非公平锁（Nonfair Lock）

允许插队抢占资源，默认实现：

java
ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock();

优势：
– 吞吐量更高
– 可能出现长时等待

四、重量级锁与轻量级锁

1. 重量级锁

传统synchronized在竞争激烈时会升级为重量级锁，涉及操作系统互斥量。

2. 轻量级锁

通过CAS操作尝试获取锁，失败才升级为重量级锁。JVM的锁优化包括：
– 偏向锁
– 自旋锁
– 锁消除

五、可重入锁（ReentrantLock）

允许同一线程多次获取同一把锁：

“`java
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

void recursiveMethod(int n) {
lock.lock();
try {
if(n > 0) {
recursiveMethod(n-1);
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
“`

优势：
– 避免自我死锁
– 支持条件变量（Condition）

六、死锁产生与预防

典型死锁场景：
“`java
// 线程1
synchronized(resourceA) {
synchronized(resourceB) {…}
}

// 线程2
synchronized(resourceB) {
synchronized(resourceA) {…}
}
“`

预防策略：
1. 按固定顺序获取资源
2. 设置超时时间（tryLock）
3. 使用死锁检测工具

七、锁的性能优化建议

1. 缩小同步代码块范围
2. 读写分离时采用ReadWriteLock
3. 考虑无锁数据结构（如ConcurrentHashMap）
4. 监控锁竞争情况（JVisualVM）

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通过合理选择锁机制，开发者可以在线程安全与系统性能之间取得平衡。理解不同锁的特性及适用场景，是构建高并发系统的关键基础。
“`