Lock

Lock接口及其实现类：Java 并发编程的灵活锁机制

Lock 接口是 JDK 5 引入的同步工具，为 Java 并发编程提供了比 synchronized 更灵活的锁控制能力。它支持显式加锁 / 解锁、可中断获取、超时获取等特性，弥补了 synchronized 隐式操作的局限性。本文将深入解析 Lock 接口的核心实现类（ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock），并对比其与 synchronized 的差异。

Lock 接口核心方法

Lock 接口定义了锁的基本操作，核心方法如下：

方法	作用描述
lock()	获取锁（阻塞式，直到获取成功）
lockInterruptibly()	可中断地获取锁（获取过程中若线程被中断，会抛出 InterruptedException）
tryLock()	尝试非阻塞获取锁（成功返回 true，失败返回 false）
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)	超时获取锁（超时未获取则返回 false）
unlock()	释放锁（必须在 finally 块中调用，避免锁泄漏）
newCondition()	创建条件对象，实现线程间通信（类似 synchronized 的 wait/notify）

ReentrantLock：可重入独占锁

ReentrantLock 是 Lock 接口的最常用实现，提供与 synchronized 类似的独占锁功能，但支持更灵活的控制。其核心特性是可重入性（同一线程可多次获取锁）和公平 / 非公平模式。

公平锁与非公平锁

ReentrantLock 允许通过构造函数指定锁的公平性：

// 非公平锁（默认）  
Lock lock = new ReentrantLock();  
// 公平锁  
Lock fairLock = new ReentrantLock(true);

（1）非公平锁（NonfairSync）

• 获取逻辑：线程尝试直接获取锁（CAS 操作），失败后才进入等待队列；
• 特点：可能存在线程饥饿（先请求的线程后获取锁），但吞吐量更高；
• 适用场景：并发激烈但允许偶尔不公平的场景。

（2）公平锁（FairSync）

• 获取逻辑：线程必须按请求顺序进入队列，只有队首线程能获取锁；
• 特点：保证公平性，避免饥饿，但频繁的上下文切换导致吞吐量较低；
• 适用场景：对公平性要求高的场景（如资源调度）。

核心源码解析

ReentrantLock 基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现，内部通过 Sync 抽象类区分公平与非公平逻辑：

获取锁（lock() 方法）

// 非公平锁的 lock() 实现  
static final class NonfairSync extends Sync {  
    final void lock() {  
        // 尝试直接获取锁（CAS 将 state 从 0 设为 1）  
        if (compareAndSetState(0, 1))  
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());  
        else  
            // 失败则进入 AQS 的 acquire 流程  
            acquire(1);  
    }  

    // 尝试获取锁（可重入逻辑）  
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {  
        return nonfairTryAcquire(acquires);  
    }  
}  

// 可重入逻辑  
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {  
    final Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    if (c == 0) { // 锁未被占用  
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {  
            setExclusiveOwnerThread(current);  
            return true;  
        }  
    }  
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 当前线程已持有锁（重入）  
        int nextc = c + acquires;  
        if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");  
        setState(nextc);  
        return true;  
    }  
    return false;  
}

释放锁（unlock() 方法）

public void unlock() {  
    sync.release(1);  
}  

// AQS 的 release 方法调用 tryRelease  
protected final boolean tryRelease(int releases) {  
    int c = getState() - releases;  
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())  
        throw new IllegalMonitorStateException();  
    boolean free = false;  
    if (c == 0) { // 完全释放锁  
        free = true;  
        setExclusiveOwnerThread(null);  
    }  
    setState(c); // 更新重入计数  
    return free;  
}

多条件等待（Condition）

ReentrantLock 可通过 newCondition() 创建多个条件对象，实现更精细的线程通信：

Lock lock = new ReentrantLock();  
Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 非空条件  
Condition notFull = lock.newCondition();  // 非满条件  

// 生产者线程  
lock.lock();  
try {  
    while (queue.isFull()) {  
        notFull.await(); // 队列满时等待  
    }  
    queue.add(item);  
    notEmpty.signal(); // 通知消费者  
} finally {  
    lock.unlock();  
}  

// 消费者线程  
lock.lock();  
try {  
    while (queue.isEmpty()) {  
        notEmpty.await(); // 队列空时等待  
    }  
    Object item = queue.poll();  
    notFull.signal(); // 通知生产者  
} finally {  
    lock.unlock();  
}

优势：相比 synchronized 的单条件队列，Condition 支持多条件分离，减少不必要的唤醒。

ReentrantReadWriteLock：读写分离锁

ReentrantReadWriteLock 是为读多写少场景优化的锁，其核心是读写分离：

• 读锁（ReadLock）：共享锁，允许多个线程同时读取；
• 写锁（WriteLock）：独占锁，同一时间仅允许一个线程写入。

核心特性

• 互斥规则：读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，读锁与读锁不互斥；
• 可重入性：读锁和写锁均支持重入（读锁重入需当前线程未持有写锁）；
• 降级与升级：写锁可降级为读锁（先获取写锁，再获取读锁，最后释放写锁），但读锁不可升级为写锁（避免死锁）。

状态设计

ReentrantReadWriteLock 复用 AQS 的 state 变量，通过位分割存储读写状态：

• 低 16 位：写锁的重入计数（exclusiveCount）；
• 高 16 位：读锁的持有计数（sharedCount）。

static final int SHARED_SHIFT = 16;  
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); // 65536  
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 65535  

// 计算读锁计数  
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }  
// 计算写锁计数  
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

读锁与写锁的获取与释放

读锁（ReadLock）

• 获取：若无线程持有写锁，或持有写锁的是当前线程，则累加读锁计数；
• 释放：递减读锁计数，直至为 0 时完全释放。

public void lock() {  
    sync.acquireShared(1);  
}  

// AQS 共享模式获取  
protected final int tryAcquireShared(int unused) {  
    Thread current = Thread.currentThread();  
    int c = getState();  
    // 若有写锁且持有者不是当前线程，获取失败  
    if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current)  
        return -1;  
    int r = sharedCount(c);  
    // 尝试获取读锁（CAS 累加高 16 位）  
    if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {  
        // 记录读锁重入信息（略）  
        return 1;  
    }  
    // 复杂场景的重试逻辑（略）  
    return fullTryAcquireShared(current);  
}

写锁（WriteLock）

• 获取：若无线程持有读锁或写锁，或当前线程已持有写锁，则累加写锁计数；
• 释放：递减写锁计数，直至为 0 时完全释放。

Lock 与 synchronized 的对比

特性	Lock（ReentrantLock）	synchronized
锁获取方式	显式（lock()/unlock()）	隐式（代码块 / 方法修饰）
公平性	支持公平 / 非公平模式	仅非公平模式
可中断性	支持（lockInterruptibly()）	不支持（中断后仍会获取锁）
超时获取	支持（tryLock(timeout)）	不支持
条件等待	多条件（Condition）	单条件（对象监视器）
性能	高并发下更优（减少上下文切换）	JVM 优化后与 Lock 接近
适用场景	复杂同步逻辑（超时、中断、多条件）	简单同步场景

锁的分类与最佳实践

锁的分类

• 按可重入性：可重入锁（synchronized、ReentrantLock）与不可重入锁；
• 按公平性：公平锁与非公平锁；
• 按共享模式：独占锁（ReentrantLock、写锁）与共享锁（读锁、Semaphore）。

最佳实践

• 优先使用 synchronized：简单场景下代码更简洁，JVM 优化更成熟；
• 使用 ReentrantLock：需中断、超时或多条件等待时；
• 使用 ReentrantReadWriteLock：读多写少场景（如缓存、配置中心）；
• 避免死锁：始终在 finally 块中释放锁，按顺序获取多把锁。