Java中的锁机制全解析：从synchronized到分布式锁

在多线程编程中，锁是保证线程安全的核心工具。本文将详解Java中常见的锁机制及其实际应用场景，帮助开发者选择最合适的锁方案。

一、内置锁：synchronized

原理

通过JVM内置的监视器锁（Monitor）实现，可修饰方法或代码块。

// 修饰方法
public synchronized void add() {
    // 线程安全操作
}

// 修饰代码块
public void increment() {
    synchronized(this) {
        // 线程安全操作
    }
}

场景

• 单机简单同步：如计数器、对象状态变更

• 资源竞争低：性能要求不高的场景

二、显式锁：ReentrantLock

特性

• 可重入性

• 支持公平/非公平锁

• 尝试获取锁（tryLock）

• 可中断锁

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void performTask() {
    lock.lock();
    try {
        // 临界区操作
    } finally {
        lock.unlock(); // 必须手动释放
    }
}

场景

• 复杂同步逻辑：需要尝试获取锁

if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        // 获取锁成功
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

• 公平性要求：防止线程饥饿

• 锁分离：配合Condition实现等待通知机制

三、读写锁：ReentrantReadWriteLock

原理

分离读锁（共享）和写锁（独占），提升读多写少场景的性能。

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

public void readData() {
    rwLock.readLock().lock();
    try {
        // 读取操作
    } finally {
        rwLock.readLock().unlock();
    }
}

public void writeData() {
    rwLock.writeLock().lock();
    try {
        // 写入操作
    } finally {
        rwLock.writeLock().unlock();
    }
}

场景

• 缓存系统：如热点数据缓存

• 配置中心：频繁读取，偶尔更新配置

四、乐观锁：StampedLock（JDK8+）

特性

• 乐观读锁

• 锁升级机制

StampedLock stampedLock = new StampedLock();

// 乐观读
public double read() {
    long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
    // 读取数据...
    if (!stampedLock.validate(stamp)) {
        stamp = stampedLock.readLock(); // 升级为悲观锁
        try {
            // 重新读取
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }
    return data;
}

// 写锁
public void write() {
    long stamp = stampedLock.writeLock();
    try {
        // 写操作
    } finally {
        stampedLock.unlockWrite(stamp);
    }
}

场景

• 高并发读：如股票行情系统

• 数据校验：先快速读取后验证

五、分布式锁

实现方式

• Redis（RedLock算法）

• ZooKeeper（临时有序节点）

• 数据库（唯一约束）

// Redis分布式锁示例（Jedis）
public boolean tryLock(String key, String value, int expire) {
    return "OK".equals(jedis.set(key, value, "NX", "EX", expire));
}

public void unlock(String key, String value) {
    if (value.equals(jedis.get(key))) {
        jedis.del(key);
    }
}

场景

• 分布式系统：集群服务定时任务

• 资源抢占：如秒杀系统库存扣减

六、锁优化实践

1. 减小锁粒度：ConcurrentHashMap分段锁

2. 无锁编程：Atomic原子类

3. 避免死锁：按顺序获取锁

4. 锁分离：读写锁分离

总结对比

选择合适的锁能显著提升系统性能。理解各锁的特性及适用场景，是构建高并发系统的关键技能。在实际开发中，建议先用synchronized，当需要更细粒度控制时再考虑显式锁。