Java并发编程之Lock锁机制深度解析:从使用到源码实现

news/2025/10/29 8:44:56/文章来源:https://www.cnblogs.com/sun-10387834/p/19171441

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}
}

1.2 Lock接口的核心优势

特性 synchronized Lock
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);}
}

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*/}
}

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*/@Overridepublic 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*/@Overridepublic boolean tryReleaseShared(int returnCount) {for (;;) {int current = getState();int newCount = current + returnCount;if (compareAndSetState(current, newCount)) {return true;}}}}@Overridepublic void lock() {sync.acquireShared(1);  // 获取1个许可证}@Overridepublic 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 {@Testpublic 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();}}
}

3. 重入锁ReentrantLock:可重复使用的智能锁

3.1 重入性:一把钥匙开多把锁

现实比喻:你进了自家大门,还可以用同一把钥匙打开卧室门、书房门。

/*** 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();}
}

3.2 公平锁 vs 非公平锁

公平锁:像银行取号排队 - 先来先服务
非公平锁:像公交车抢座位 - 谁能抢到谁坐

/*** 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@Testpublic 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");}
}

3.3 重入锁实现原理

/*** 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;}
}

4. 读写锁ReentrantReadWriteLock:读写分离的高并发锁

4.1 读写锁的应用场景

现实比喻:图书馆管理规则

  • 读操作:多人可同时阅读同一本书
  • 写操作:修改书籍时需独占访问
/*** 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();}}
}

4.2 读写锁的状态设计

/*** 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+1int newReadState = currentState + (1 << 16);  // 即 + 0x00010000// 写锁计数+1  int newWriteState = currentState + 1;
}

4.3 锁降级:保证数据可见性的重要技术

/*** 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) {}
}

5. LockSupport:线程的精准遥控器

5.1 LockSupport的核心能力

LockSupport提供线程阻塞和唤醒的原子操作,就像线程的远程控制器

/*** 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");}
}

5.2 许可机制:先发后至的灵活性

/*** LockSupport的许可机制演示* 每个线程有一个许可(最多为1):* - unpark:添加一个许可* - park:消耗一个许可,没有许可就阻塞*/
public class PermitMechanism {public static void main(String[] args) {Thread thread = new Thread(() -> {System.out.println("子线程开始");try {Thread.sleep(1000);  // 确保主线程先调用unpark} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println("子线程调用park");// 这里不会阻塞,因为主线程已经给了许可LockSupport.park();System.out.println("子线程第一次park完成");// 这次会阻塞,因为许可已经被消耗LockSupport.park(); System.out.println("子线程第二次park完成");});thread.start();// 立即给子线程许可(先发)System.out.println("主线程调用unpark");LockSupport.unpark(thread);// 等待后再次唤醒try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println("主线程再次调用unpark");LockSupport.unpark(thread);}
}

5.3 Blocker:线程诊断的"身份证"

/*** Blocker的作用:在线程dump中标识等待目标*/
public class BlockerDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object blocker = new Object();  // 阻塞对象Thread withBlocker = new Thread(() -> {System.out.println("带Blocker的线程开始阻塞");// 推荐:使用带blocker的park方法LockSupport.park(blocker);  System.out.println("带Blocker的线程被唤醒");}, "WithBlocker-Thread");Thread withoutBlocker = new Thread(() -> {System.out.println("无Blocker的线程开始阻塞");// 不推荐:无blocker的park方法LockSupport.park();  System.out.println("无Blocker的线程被唤醒");}, "WithoutBlocker-Thread");withBlocker.start();withoutBlocker.start();Thread.sleep(1000);// 在实际环境中使用jstack查看线程dump,区别明显:// 有Blocker: "parking to wait for <0x00000000d5e8a6c0> (a java.lang.Object)"// 无Blocker: 只显示在LockSupport.park处等待LockSupport.unpark(withBlocker);LockSupport.unpark(withoutBlocker);withBlocker.join();withoutBlocker.join();}
}

6. Condition接口:精准的线程协调器

6.1 Condition vs Object监视器

特性 Object.wait/notify Condition.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

/*** 有界阻塞队列 - Condition的经典应用* 功能:* - 队列空时,消费者等待* - 队列满时,生产者等待*/
public class BoundedBlockingQueue<T> {private final Object[] items;private int addIndex, removeIndex, count;private final Lock lock = new ReentrantLock();private final Condition notEmpty = lock.newCondition();  // 非空条件private final Condition notFull = lock.newCondition();   // 非满条件public BoundedBlockingQueue(int capacity) {if (capacity <= 0) throw new IllegalArgumentException();items = new Object[capacity];}/*** 生产方法:队列满时阻塞*/public void put(T item) throws InterruptedException {lock.lock();try {// 使用while防止虚假唤醒while (count == items.length) {System.out.println("队列已满,生产者等待...");notFull.await();  // 在notFull条件上等待}// 生产元素items[addIndex] = item;if (++addIndex == items.length) addIndex = 0;count++;System.out.println("生产: " + item + ", 当前数量: " + count);// 通知可能等待的消费者notEmpty.signal();} finally {lock.unlock();}}/*** 消费方法:队列空时阻塞*/@SuppressWarnings("unchecked")public T take() throws InterruptedException {lock.lock();try {// 使用while防止虚假唤醒while (count == 0) {System.out.println("队列为空,消费者等待...");notEmpty.await();  // 在notEmpty条件上等待}// 消费元素T item = (T) items[removeIndex];if (++removeIndex == items.length) removeIndex = 0;count--;System.out.println("消费: " + item + ", 当前数量: " + count);// 通知可能等待的生产者notFull.signal();return item;} finally {lock.unlock();}}
}

6.3 Condition内部机制:等待队列与同步队列的协作

/*** Condition内部工作机制解析*/
public class ConditionInternalMechanism {/*** Condition内部有两个重要队列:* * 1. 等待队列(Condition队列):单向链表*    firstWaiter → [thread|nextWaiter] → [thread|nextWaiter] → lastWaiter*    * 2. 同步队列(AQS队列):双向链表  *    head ↔ [prev|thread|next] ↔ [prev|thread|next] ↔ tail* * await过程:同步队列 → 等待队列* signal过程:等待队列 → 同步队列*//*** await方法核心流程:*/public final void await() throws InterruptedException {// 1. 创建节点加入Condition等待队列Node node = addConditionWaiter();// 2. 完全释放锁(保存重入状态)int savedState = fullyRelease(node);// 3. 阻塞直到被signal或中断while (!isOnSyncQueue(node)) {LockSupport.park(this);if (checkInterruptWhileWaiting(node) != 0) break;}// 4. 被唤醒后重新竞争锁if (acquireQueued(node, savedState)) {// 处理中断...}}/*** signal方法核心流程:*/public final void signal() {// 1. 必须持有锁才能调用if (!isHeldExclusively())throw new IllegalMonitorStateException();// 2. 转移等待队列的第一个节点到同步队列Node first = firstWaiter;if (first != null)doSignal(first);}
}

7. AQS同步队列 vs Condition等待队列

7.1 核心区别总结

特性 AQS同步队列 Condition等待队列
设计目的 管理锁竞争的线程 管理条件等待的线程
数据结构 双向链表 单向链表
节点状态 SIGNAL, CANCELLED, 0, PROPAGATE CONDITION(-2)
队列数量 每个AQS实例1个 每个Condition1个
线程行为 竞争锁资源 等待特定条件满足
唤醒方式 前驱节点释放锁时唤醒 其他线程调用signal()唤醒

7.2 队列协作的完整示例

/*** 演示两个队列如何协作工作*/
public class TwoQueuesCollaboration {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition condition = lock.newCondition();public void demonstrate() throws InterruptedException {Thread waiter = new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println("Waiter: 获取锁,准备await");// 此时:// - Waiter在同步队列中(持有锁)// - 等待队列为空condition.await();  // 关键操作!// await内部完成:// 1. Waiter节点从同步队列移到等待队列// 2. 释放锁// 3. 阻塞等待System.out.println("Waiter: 被唤醒,重新获得锁");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();} finally {lock.unlock();}});Thread signaler = new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println("Signaler: 获取锁,调用signal");// 此时:// - Signaler在同步队列中(持有锁)  // - Waiter在等待队列中condition.signal();  // 关键操作!// signal内部完成:// 1. Waiter节点从等待队列移到同步队列// 2. 唤醒Waiter线程System.out.println("Signaler: signal完成");} finally {lock.unlock();  // 释放锁,Waiter有机会竞争锁}});waiter.start();Thread.sleep(100);  // 确保waiter先执行signaler.start();waiter.join();signaler.join();}
}

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

/*** 正确的锁释放方式*/
public class CorrectLockUsage {private final Lock lock = new ReentrantLock();// ✅ 正确做法public void correctMethod() {lock.lock();try {// 业务逻辑doBusiness();} finally {lock.unlock();  // 确保锁被释放}}// ❌ 错误做法public void wrongMethod() {lock.lock();doBusiness();lock.unlock();  // 如果doBusiness抛出异常,锁不会被释放!}private void doBusiness() {// 可能抛出异常的业务逻辑if (Math.random() > 0.5) {throw new RuntimeException("业务异常");}}
}

原则2:避免锁嵌套,预防死锁

/*** 死锁预防示例*/
public class DeadlockPrevention {private final Lock lockA = new ReentrantLock();private final Lock lockB = new ReentrantLock();// ❌ 容易导致死锁的做法public void potentialDeadlock() {lockA.lock();try {// 一些操作...lockB.lock();  // 如果另一个线程以相反顺序获取锁,可能死锁try {// 更多操作...} finally {lockB.unlock();}} finally {lockA.unlock();}}// ✅ 使用tryLock避免死锁public void safeMethod() {while (true) {if (lockA.tryLock()) {try {if (lockB.tryLock()) {try {// 成功获取两个锁,执行业务doBusiness();return;  // 成功完成,退出循环} finally {lockB.unlock();}}} finally {lockA.unlock();}}// 获取锁失败,短暂休息后重试try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();break;}}}// ✅ 使用固定的锁获取顺序public void fixedOrderMethod(Object resource1, Object resource2) {// 通过hash值确定固定的获取顺序int hash1 = System.identityHashCode(resource1);int hash2 = System.identityHashCode(resource2);if (hash1 < hash2) {lockA.lock();lockB.lock();} else {lockB.lock();lockA.lock();}try {doBusiness();} finally {lockA.unlock();lockB.unlock();}}private void doBusiness() {}
}

8.2 各组件最佳实践案例

8.2.1 ReentrantLock最佳实践:连接池管理

/*** 基于ReentrantLock的简单数据库连接池* 特性:支持超时获取、中断响应、连接验证*/
public class DatabaseConnectionPool {private final LinkedList<Connection> pool = new LinkedList<>();private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁private final Condition notEmpty = lock.newCondition();private final int maxSize;private final long maxWaitTime;public DatabaseConnectionPool(int maxSize, long maxWaitMillis) {this.maxSize = maxSize;this.maxWaitTime = maxWaitMillis;initializePool();}/*** 获取连接 - 支持超时和中断*/public Connection getConnection() throws InterruptedException, TimeoutException {lock.lock();try {long endTime = System.currentTimeMillis() + maxWaitTime;while (pool.isEmpty()) {long remainingTime = endTime - System.currentTimeMillis();if (remainingTime <= 0) {throw new TimeoutException("获取连接超时");}// 等待连接可用,支持超时if (!notEmpty.await(remainingTime, TimeUnit.MILLISECONDS)) {throw new TimeoutException("获取连接超时");}}// 获取并验证连接Connection conn = pool.removeFirst();if (!isConnectionValid(conn)) {conn = createNewConnection();}return conn;} finally {lock.unlock();}}/*** 归还连接*/public void returnConnection(Connection conn) {if (conn == null) return;lock.lock();try {if (pool.size() < maxSize && isConnectionValid(conn)) {pool.addLast(conn);notEmpty.signal();  // 通知等待的线程} else {// 连接池已满或连接无效,关闭连接closeConnection(conn);}} finally {lock.unlock();}}/*** 尝试获取连接(非阻塞)*/public Connection tryGetConnection() {if (lock.tryLock()) {try {if (!pool.isEmpty()) {Connection conn = pool.removeFirst();if (isConnectionValid(conn)) {return conn;}}} finally {lock.unlock();}}return null;}private boolean isConnectionValid(Connection conn) {// 连接有效性检查逻辑try {return conn != null && !conn.isClosed() && conn.isValid(2);} catch (SQLException e) {return false;}}private Connection createNewConnection() {// 创建新连接的逻辑return null; // 简化实现}private void closeConnection(Connection conn) {// 关闭连接的逻辑}private void initializePool() {// 初始化连接池for (int i = 0; i < maxSize / 2; i++) {pool.add(createNewConnection());}}
}

8.2.2 读写锁最佳实践:配置中心

/*** 基于读写锁的配置中心* 特性:高频读取,低频更新,保证数据一致性*/
public class ConfigurationCenter {private final Map<String, String> configs = new HashMap<>();private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();private final Lock readLock = rwLock.readLock();private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();/*** 获取配置 - 高频操作,使用读锁*/public String getConfig(String key) {readLock.lock();try {String value = configs.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, configs.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);configs.put(key, value);System.out.println("配置更新: " + key + " = " + value);} finally {writeLock.unlock();}}/*** 批量更新配置 - 写锁保证原子性*/public void updateConfigs(Map<String, String> newConfigs) {writeLock.lock();try {simulateProcess(newConfigs.size() * 5);configs.putAll(newConfigs);System.out.println("批量更新配置: " + newConfigs.size() + " 项");} finally {writeLock.unlock();}}/*** 热更新配置 - 使用锁降级保证数据一致性*/public void hotUpdateConfig(String key, String value) {// 先获取写锁进行更新writeLock.lock();try {// 更新配置configs.put(key, value);System.out.println("热更新配置: " + key + " = " + value);// 锁降级:在释放写锁前获取读锁readLock.lock();} finally {writeLock.unlock();  // 锁降级完成}try {// 在读锁保护下进行后续操作(如通知观察者、记录日志等)notifyConfigChange(key, value);logConfigChange(key, value);} finally {readLock.unlock();}}private void notifyConfigChange(String key, String value) {// 通知配置变更观察者simulateProcess(2);}private void logConfigChange(String key, String value) {// 记录配置变更日志simulateProcess(1);}private void simulateProcess(int milliseconds) {try {Thread.sleep(milliseconds);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}
}

8.2.3 Condition最佳实践:任务调度器

/*** 基于Condition的任务调度器* 特性:支持任务等待、超时控制、优雅关闭*/
public class TaskScheduler {private final PriorityBlockingQueue<Task> taskQueue = new PriorityBlockingQueue<>();private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition taskAvailable = lock.newCondition();private final Condition schedulerStopped = lock.newCondition();private volatile boolean running = true;private final Thread workerThread;public TaskScheduler() {this.workerThread = new Thread(this::processTasks, "TaskScheduler-Worker");this.workerThread.start();}/*** 提交任务 - 支持超时*/public boolean submitTask(Task task, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {lock.lock();try {long deadline = System.nanoTime() + unit.toNanos(timeout);// 等待直到有空间或超时while (taskQueue.size() >= 1000) {  // 队列容量限制long remaining = deadline - System.nanoTime();if (remaining <= 0) {return false;  // 超时}if (!taskAvailable.await(remaining, TimeUnit.NANOSECONDS)) {return false;  // 超时}}taskQueue.offer(task);taskAvailable.signal();  // 通知工作线程return true;} finally {lock.unlock();}}/*** 立即提交任务(非阻塞)*/public boolean submitTaskNow(Task task) {lock.lock();try {if (taskQueue.size() >= 1000) {return false;  // 队列已满}taskQueue.offer(task);taskAvailable.signal();return true;} finally {lock.unlock();}}/*** 优雅关闭 - 等待所有任务完成*/public void shutdown() throws InterruptedException {lock.lock();try {running = false;taskAvailable.signalAll();  // 唤醒工作线程// 等待任务队列清空while (!taskQueue.isEmpty()) {schedulerStopped.await(1, TimeUnit.SECONDS);}} finally {lock.unlock();}workerThread.join();}/*** 立即关闭*/public void shutdownNow() {lock.lock();try {running = false;taskQueue.clear();taskAvailable.signalAll();} finally {lock.unlock();}}private void processTasks() {while (running || !taskQueue.isEmpty()) {try {Task task = taskQueue.poll(1, TimeUnit.SECONDS);if (task != null) {executeTask(task);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();break;}}// 通知关闭完成lock.lock();try {schedulerStopped.signalAll();} finally {lock.unlock();}}private void executeTask(Task task) {try {task.execute();} catch (Exception e) {System.err.println("任务执行失败: " + e.getMessage());}}public static class Task implements Comparable<Task> {private final Runnable runnable;private final long scheduledTime;private final int priority;public Task(Runnable runnable, long delay, TimeUnit unit, int priority) {this.runnable = runnable;this.scheduledTime = System.nanoTime() + unit.toNanos(delay);this.priority = priority;}public void execute() {runnable.run();}@Overridepublic int compareTo(Task other) {int timeCompare = Long.compare(this.scheduledTime, other.scheduledTime);if (timeCompare != 0) {return timeCompare;}return Integer.compare(other.priority, this.priority);  // 优先级高的在前}}
}

8.2.4 LockSupport最佳实践:自定义同步器

/*** 基于LockSupport的自定义闭锁* 特性:一次性屏障,支持超时和中断*/
public class SimpleCountDownLatch {private volatile int count;private final Queue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();public SimpleCountDownLatch(int count) {if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("计数不能为负");this.count = count;}/*** 等待闭锁打开*/public void await() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}if (count <= 0) {return;  // 已经打开}// 使用LockSupport阻塞Thread current = Thread.currentThread();waiters.offer(current);// 双重检查避免错过信号if (count > 0) {LockSupport.park(this);}// 检查是否被中断唤醒if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}}/*** 超时等待*/public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}if (count <= 0) {return true;}long deadline = System.nanoTime() + unit.toNanos(timeout);Thread current = Thread.currentThread();waiters.offer(current);try {while (count > 0) {long remaining = deadline - System.nanoTime();if (remaining <= 0) {return false;  // 超时}LockSupport.parkNanos(this, remaining);if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}}return true;} finally {waiters.remove(current);}}/*** 计数减1*/public void countDown() {if (count <= 0) {return;  // 已经打开}if (--count == 0) {// 唤醒所有等待线程Thread waiter;while ((waiter = waiters.poll()) != null) {LockSupport.unpark(waiter);}}}/*** 获取当前计数*/public int getCount() {return count;}
}

8.3 性能优化和陷阱避免

8.3.1 锁性能优化技巧

/*** 锁性能优化实践*/
public class LockPerformanceOptimization {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private int counter = 0;private long lastLogTime = System.currentTimeMillis();// ❌ 锁粒度太粗public void coarseGrainedLock() {lock.lock();try {// 包含非临界区操作loadFromDatabase();  // 耗时IO操作counter++;           // 真正的临界区saveToDatabase();    // 耗时IO操作} finally {lock.unlock();}}// ✅ 锁粒度细化public void fineGrainedLock() {// 在锁外执行IO操作loadFromDatabase();lock.lock();try {counter++;  // 只保护真正的临界区} finally {lock.unlock();}saveToDatabase();  // 在锁外执行IO操作}// ✅ 使用原子变量替代锁private final AtomicInteger atomicCounter = new AtomicInteger(0);public void atomicOperation() {atomicCounter.incrementAndGet();  // 无锁操作,性能更高}// ✅ 读写分离private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();private final Lock readLock = rwLock.readLock();private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();private volatile boolean initialized = false;public void lazyInit() {if (!initialized) {writeLock.lock();try {// 双重检查if (!initialized) {performInitialization();initialized = true;}} finally {writeLock.unlock();}}// 后续读操作使用读锁readLock.lock();try {useInitializedResource();} finally {readLock.unlock();}}private void loadFromDatabase() {// 模拟数据库加载}private void saveToDatabase() {// 模拟数据库保存}private void performInitialization() {// 初始化操作}private void useInitializedResource() {// 使用初始化后的资源}
}

8.3.2 常见陷阱及避免方法

/*** 并发编程常见陷阱及解决方案*/
public class ConcurrentPitfalls {// 陷阱1:在锁内调用外部方法(可能发生死锁)public void trap1() {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();lock.lock();try {externalMethod();  // 危险!可能获取其他锁} finally {lock.unlock();}}// 解决方案:减少锁内代码,只包含必要的临界区操作public void solution1() {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 在锁外准备数据Object data = prepareData();lock.lock();try {// 只执行必须同步的操作updateSharedState(data);} finally {lock.unlock();}}// 陷阱2:忘记在finally中释放锁public void trap2() {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();lock.lock();if (someCondition()) {return;  // 忘记释放锁!}lock.unlock();}// 解决方案:使用try-finally模板public void solution2() {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();lock.lock();try {if (someCondition()) {return;}// 其他操作} finally {lock.unlock();  // 确保释放}}// 陷阱3:在Condition.await()中使用if而不是whilepublic void trap3() throws InterruptedException {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();Condition condition = lock.newCondition();boolean conditionMet = false;lock.lock();try {if (!conditionMet) {  // 错误!应该用whilecondition.await();}// 可能被虚假唤醒,条件仍未满足} finally {lock.unlock();}}// 解决方案:总是使用while循环检查条件public void solution3() throws InterruptedException {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();Condition condition = lock.newCondition();boolean conditionMet = false;lock.lock();try {while (!conditionMet) {  // 正确!防止虚假唤醒condition.await();}// 条件确定满足} finally {lock.unlock();}}private boolean someCondition() {return Math.random() > 0.5;}private Object prepareData() {return new Object();}private void updateSharedState(Object data) {// 更新共享状态}private void externalMethod() {// 可能获取其他锁的外部方法}
}

8.4 监控和调试技巧

8.4.1 锁监控工具

/*** 锁监控和诊断工具*/
public class LockMonitor {/*** 监控锁竞争情况*/public static void monitorLockContention(ReentrantLock lock, String lockName) {new Thread(() -> {while (true) {try {Thread.sleep(5000);  // 每5秒检查一次System.out.printf("锁[%s]监控: %n", lockName);System.out.printf("  - 等待队列长度: %d%n", lock.getQueueLength());System.out.printf("  - 是否有等待线程: %b%n", lock.hasQueuedThreads());System.out.printf("  - 是否被当前线程持有: %b%n", lock.isHeldByCurrentThread());System.out.printf("  - 重入次数: %d%n", lock.getHoldCount());} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();break;}}}, "LockMonitor-" + lockName).start();}/*** 死锁检测*/public static void detectDeadlock() {ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();long[] threadIds = threadMXBean.findDeadlockedThreads();if (threadIds != null) {System.err.println("检测到死锁!");ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.getThreadInfo(threadIds);for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {System.err.println("死锁线程: " + threadInfo.getThreadName());System.err.println("阻塞对象: " + threadInfo.getLockName());System.err.println("阻塞者: " + threadInfo.getLockOwnerName());}}}/*** 锁性能统计*/public static class LockStats {private final ReentrantLock lock;private long lockAcquireCount = 0;private long totalWaitTime = 0;private long maxWaitTime = 0;public LockStats(ReentrantLock lock) {this.lock = lock;}public void recordLockAcquire(long waitTime) {lockAcquireCount++;totalWaitTime += waitTime;maxWaitTime = Math.max(maxWaitTime, waitTime);}public void printStats() {System.out.printf("锁统计: %n");System.out.printf("  - 获取次数: %d%n", lockAcquireCount);System.out.printf("  - 平均等待时间: %.2fms%n", lockAcquireCount > 0 ? (double)totalWaitTime / lockAcquireCount : 0);System.out.printf("  - 最大等待时间: %dms%n", maxWaitTime);System.out.printf("  - 当前等待线程: %d%n", lock.getQueueLength());}}
}

总结:正确使用并发锁的黄金法则

  1. 明确性:清楚知道每个锁保护的是什么数据
  2. 最小化:锁粒度尽可能小,持有时间尽可能短
  3. 一致性:按照固定顺序获取多个锁
  4. 可靠性:总是在finally块中释放锁
  5. 可中断性:对长时间操作使用可中断的锁获取方式
  6. 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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