Java并发编程之Lock锁机制深度解析：从使用到源码实现

处匈跑 · 前天 10:05

1. 锁的基本概念：从现实世界到代码世界

1.1 锁的演进：synchronized → Lock

想象一下健身房储物柜的使用场景：

synchronized：像固定密码锁 - 简单易用但功能有限
Lock接口：像智能电子锁 - 功能丰富且灵活可控

// synchronized - 固定密码锁
public synchronized void oldMethod() {
// 自动上锁和解锁
// 但无法中断、无法超时、无法尝试获取
}
// Lock - 智能电子锁
public void newMethod() {
Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); // 手动开锁
try {
// 临界区代码
} finally {
lock.unlock(); // 手动关锁
}
}

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1.2 Lock接口的核心优势

特性synchronizedLock中断响应❌✅超时控制❌✅尝试获取❌✅公平性❌✅条件队列单个多个2. AQS：并发世界的交通指挥中心

2.1 AQS的核心设计思想

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）就像高速公路收费站系统：

state状态：当前可通行的车道数量
同步队列：等待通行的车辆排队
CAS操作：智能的车辆调度系统

/**
* AQS同步状态管理示例
*/
public class AQSCoreConcept {
// state字段的三种典型用法：
// 1. 互斥锁：state = 0(未锁定) 或 1(已锁定)
// 2. 重入锁：state = 重入次数
// 3. 读写锁：高16位 = 读锁计数，低16位 = 写锁计数
private volatile int state;
// 三个核心的state操作方法：
protected final int getState() { return state; }
protected final void setState(int newState) { state = newState; }
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// CAS原子操作，保证线程安全
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
}

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2.2 同步队列：线程的"等候区"

/**
* AQS同步队列结构演示
*/
public class SyncQueueDemo {
/**
* 同步队列节点结构（双向链表）：
*
* head (虚拟节点) ↔ [prev|thread|next|waitStatus] ↔ [prev|thread|next|waitStatus] ↔ tail
*
* waitStatus状态说明：
* - CANCELLED(1)：线程已取消
* - SIGNAL(-1)：后继线程需要被唤醒
* - CONDITION(-2)：线程在Condition队列中
* - PROPAGATE(-3)：共享模式下传播唤醒
*/
// 独占模式获取锁的典型流程
public void acquireDemo() {
Lock lock = new ReentrantLock();
// 底层调用AQS的acquire方法
lock.lock(); // -> sync.acquire(1);
/**
* acquire方法执行流程：
* 1. tryAcquire()尝试直接获取锁
* 2. 失败 → addWaiter()加入同步队列队尾
* 3. acquireQueued()在队列中自旋等待
* 4. 被前驱节点唤醒后重新尝试获取锁
*/
}
}

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2.3 自定义锁实战：基于AQS实现TwinsLock

/**
* TwinsLock - 同一时刻最多允许两个线程访问的共享锁
* 设计思路：将AQS的state作为许可证计数器
*/
public class TwinsLock implements Lock {
private final Sync sync = new Sync(2);
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
Sync(int count) {
if (count <= 0) throw new IllegalArgumentException("计数必须大于0");
setState(count); // 初始化许可证数量
}
/**
* 共享模式获取锁
* @return 负数：获取失败；0：获取成功但无剩余；正数：获取成功且有剩余
*/
@Override
public int tryAcquireShared(int reduceCount) {
for (;;) { // 自旋避免CAS失败
int current = getState();
int newCount = current - reduceCount;
// 如果新计数<0（无许可证）或CAS设置成功，返回结果
if (newCount < 0 || compareAndSetState(current, newCount)) {
return newCount;
}
}
}
/**
* 共享模式释放锁
*/
@Override
public boolean tryReleaseShared(int returnCount) {
for (;;) {
int current = getState();
int newCount = current + returnCount;
if (compareAndSetState(current, newCount)) {
return true;
}
}
}
}
@Override
public void lock() {
sync.acquireShared(1); // 获取1个许可证
}
@Override
public void unlock() {
sync.releaseShared(1); // 释放1个许可证
}
// 其他Lock方法实现...
}
/**
* 测试TwinsLock
*/
public class TwinsLockTest {
@Test
public void testTwinsLock() {
final Lock lock = new TwinsLock();
// 启动10个线程，但同一时刻只有2个能获取锁
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread worker = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
lock.unlock();
}
});
worker.start();
}
}
}

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5.2 许可机制：先发后至的灵活性

/**
* 重入锁的重入特性演示
*/
public class ReentrantDemo {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void outer() {
lock.lock();
try {
System.out.println("外层方法获取锁，重入计数: " + getHoldCount());
inner(); // 重入：同一个线程再次获取同一把锁
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void inner() {
lock.lock(); // 这里不会阻塞，因为已经是锁的持有者
try {
System.out.println("内层方法获取锁，重入计数: " + getHoldCount());
} finally {
lock.unlock();
}
}
private int getHoldCount() {
// 返回当前线程持有该锁的次数
return lock.getHoldCount();
}
}

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5.3 Blocker：线程诊断的"身份证"

/**
* 公平性对比测试
*/
public class FairVsUnfairTest {
private static Lock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
private static Lock unfairLock = new ReentrantLock(false); // 非公平锁
@Test
public void comparePerformance() {
// 测试结果通常显示：
// - 公平锁：保证顺序，但性能较低
// - 非公平锁：可能饥饿，但吞吐量高
testLock("公平锁", fairLock);
testLock("非公平锁", unfairLock);
}
private void testLock(String type, Lock lock) {
long start = System.currentTimeMillis();
// 多个线程竞争锁...
long duration = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println(type + " 耗时: " + duration + "ms");
}
}

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6. Condition接口：精准的线程协调器

6.1 Condition vs Object监视器

特性Object.wait/notifyCondition.await/signal前置条件必须在synchronized内必须先获取Lock等待队列一个对象一个队列一个Lock多个Condition精确通知只能notifyAll或随机可以精确通知特定Condition超时控制有限支持丰富的时间控制方法6.2 Condition实战：有界阻塞队列

/**
* 重入锁核心实现解析
*/
public class ReentrantLockCore {
/**
* 非公平锁获取逻辑
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) { // 锁空闲
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
} else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 重入
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) throw new Error("超过最大锁计数");
setState(nextc); // 增加重入计数
return true;
}
return false;
}
/**
* 释放锁逻辑
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) { // 完全释放
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
}

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8. 实战指南：如何正确使用Java并发锁

8.1 锁使用的核心原则

原则1：永远在finally块中释放锁

/**
* 基于读写锁的缓存实现
*/
public class ReadWriteCache<K, V> {
private final Map<K, V> cache = new HashMap<>();
private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock readLock = rwLock.readLock();
private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();
/**
* 读操作：共享锁，允许多个线程同时读
*/
public V get(K key) {
readLock.lock();
try {
String value = cache.get(key);
// 模拟配置读取的耗时操作
simulateProcess(1);
return value;
} finally {
readLock.unlock();
}
}
/**
* 批量获取配置 - 读锁支持并发
*/
public Map<String, String> getConfigs(Set<String> keys) {
readLock.lock();
try {
Map<String, String> result = new HashMap<>();
for (String key : keys) {
result.put(key, cache.get(key));
}
simulateProcess(keys.size());
return result;
} finally {
readLock.unlock();
}
}
/**
* 更新配置 - 低频操作，使用写锁
*/
public void updateConfig(String key, String value) {
writeLock.lock();
try {
// 模拟配置更新的耗时操作
simulateProcess(10);
cache.put(key, value);
System.out.println("配置更新: " + key + " = " + value);
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
private void simulateProcess(int milliseconds) {
try {
Thread.sleep(milliseconds);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}

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原则2：避免锁嵌套，预防死锁

/**
* 读写锁状态设计的精妙之处
*/
public class ReadWriteStateDesign {
/**
* 32位state字段的划分：
*
* ┌─────────────────┬─────────────────┐
* │ 高16位 │ 低16位 │
* │ 读状态 │ 写状态 │
* │ (读锁计数) │ (写锁重入数) │
* └─────────────────┴─────────────────┘
*/
// 获取写状态（低16位）
static int exclusiveCount(int c) {
return c & 0x0000FFFF;
}
// 获取读状态（高16位）
static int sharedCount(int c) {
return c >>> 16;
}
// 读锁计数+1
int newReadState = currentState + (1 << 16); // 即 + 0x00010000
// 写锁计数+1
int newWriteState = currentState + 1;
}

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8.2 各组件最佳实践案例

8.2.1 ReentrantLock最佳实践：连接池管理

/**
* 锁降级示例：写锁 → 读锁
* 目的：保证数据的可见性
*/
public class LockDemotionExample {
private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock readLock = rwLock.readLock();
private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();
private volatile boolean update = false;
private Object data;
public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 数据需要更新，必须先释放读锁
readLock.unlock();
// 获取写锁
writeLock.lock();
try {
// 双重检查
if (!update) {
// 准备数据...
data = fetchData();
update = true;
}
// 关键步骤：在释放写锁前获取读锁
readLock.lock(); // 锁降级开始
} finally {
writeLock.unlock(); // 锁降级完成，现在持有读锁
}
}
try {
// 使用数据（仍在读锁保护下）
useData(data);
} finally {
readLock.unlock();
}
}
// 不支持锁升级！可能产生死锁
public void invalidLockUpgrade() {
readLock.lock();
try {
// 危险操作：尝试在持有读锁时获取写锁
// 如果其他线程也持有读锁，会产生死锁
writeLock.lock(); // 可能永远阻塞！
try {
// 修改数据...
} finally {
writeLock.unlock();
}
} finally {
readLock.unlock();
}
}
private Object fetchData() { return null; }
private void useData(Object data) {}
}

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8.2.4 LockSupport最佳实践：自定义同步器

/**
* LockSupport基础使用
*/
public class LockSupportBasic {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread worker = new Thread(() -> {
System.out.println("工作线程开始执行");
System.out.println("工作线程即将被阻塞");
// 阻塞当前线程（停车）
LockSupport.park();
System.out.println("工作线程被唤醒，继续执行");
});
worker.start();
Thread.sleep(2000); // 主线程等待2秒
System.out.println("主线程准备唤醒工作线程");
// 唤醒指定线程（开车）
LockSupport.unpark(worker);
System.out.println("主线程已发送唤醒信号");
}
}

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总结：正确使用并发锁的黄金法则

明确性：清楚知道每个锁保护的是什么数据
最小化：锁粒度尽可能小，持有时间尽可能短
一致性：按照固定顺序获取多个锁
可靠性：总是在finally块中释放锁
可中断性：对长时间操作使用可中断的锁获取方式
监控性：对关键锁进行监控和统计

Java并发包中的锁机制通过精妙的设计实现了高效、灵活的线程同步：

AQS是基石：提供了同步队列管理和状态控制的基础设施
Lock接口是门面：定义了丰富的锁操作API
重入锁解决重入问题：支持同一线程多次获取锁
读写锁优化读多写少场景：通过锁分离提升并发性能
LockSupport提供底层阻塞能力：线程控制的精准工具
Condition实现精确线程协调：多条件等待队列支持复杂同步逻辑

记住这个核心关系：Lock → AQS → Condition → LockSupport，它们共同构成了Java并发锁机制的完整体系。理解这些组件的内部机制，能够帮助我们正确选择和使用合适的同步工具，诊断和解决复杂的并发问题，设计高性能的并发组件。
记住这些原则和最佳实践，你就能构建出高效、可靠的并发程序。并发编程虽然复杂，但通过正确的工具和方法，完全可以驾驭！

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蟠鲤 · 昨天 09:43

新版吗？好像是停更了吧。

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