在Java中，鎖是實現多線程同步的核心機制。不同的鎖適用于不同的場景，理解其實現原理和使用方法對優化性能和避免并發問題至關重要。

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一、隱式鎖：synchronized 關鍵字

實現原理

• 基于對象監視器（Monitor）：每個Java對象都有一個內置的監視器鎖（monitor lock），通過 synchronized 關鍵字獲取。
• 鎖升級機制（JVM優化）：
  • 偏向鎖：無競爭時，標記線程ID，避免CAS操作。
  • 輕量級鎖：通過CAS競爭鎖，失敗后升級為重量級鎖。
  • 重量級鎖：通過操作系統互斥量（mutex）實現線程阻塞。

使用方法

// 1. 同步代碼塊
synchronized (obj) { // 臨界區代碼
}// 2. 同步實例方法
public synchronized void method() { }// 3. 同步靜態方法
public static synchronized void method() { }

適用場景

• 簡單同步需求：無需復雜鎖功能的場景（如可中斷、超時等）。
• 代碼簡潔性優先：自動釋放鎖，避免忘記解鎖的風險。

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二、顯式鎖：ReentrantLock

實現原理

• 基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：
  • 通過 state 變量（CAS操作）記錄鎖狀態。
  • 使用CLH隊列管理等待線程。
• 支持公平性：可選擇公平鎖（按排隊順序獲取）或非公平鎖（插隊競爭）。

使用方法

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 臨界區代碼
} finally {lock.unlock(); // 必須手動釋放
}// 高級功能示例：嘗試獲取鎖
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {try { /* ... */ } finally { lock.unlock(); }
}

適用場景

• 復雜鎖需求：需要可中斷、超時、公平性等特性。
• 細粒度控制：如跨方法加鎖解鎖（synchronized 只能在代碼塊內）。

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三、讀寫鎖：ReentrantReadWriteLock

實現原理

• 分離讀鎖（共享）和寫鎖（獨占）：
  • 讀鎖允許多線程并發讀，寫鎖獨占。
  • AQS的 state 高16位記錄讀鎖，低16位記錄寫鎖。

使用方法

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();// 讀操作
readLock.lock();
try { /* 讀數據 */ } finally { readLock.unlock(); }// 寫操作
writeLock.lock();
try { /* 寫數據 */ } finally { writeLock.unlock(); }

適用場景

• 讀多寫少：如緩存系統、高頻查詢場景。
• 數據一致性要求：寫操作需要互斥，讀操作可并發。

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四、樂觀鎖：StampedLock（Java 8+）

實現原理

• 基于票據（Stamp）的鎖機制：
  • 支持三種模式：寫鎖、悲觀讀鎖、樂觀讀。
  • 樂觀讀不阻塞寫操作，通過驗證Stamp判斷數據一致性。

使用方法

StampedLock stampedLock = new StampedLock();// 樂觀讀
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
// 讀取數據
if (!stampedLock.validate(stamp)) {// 數據被修改，升級為悲觀讀鎖stamp = stampedLock.readLock();try { /* 重新讀取數據 */ } finally { stampedLock.unlockRead(stamp); }
}// 寫鎖
long stamp = stampedLock.writeLock();
try { /* 寫數據 */ } finally { stampedLock.unlockWrite(stamp); }

適用場景

• 讀多寫少且容忍數據不一致：如統計、日志處理。
• 極高性能需求：樂觀讀避免鎖競爭，但需處理驗證邏輯。

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五、其他鎖機制

1. Condition 條件變量

• 與 ReentrantLock 配合使用，實現線程間協作（類似 wait/notify）。
• 典型場景：生產者-消費者模型。

2. 分布式鎖

• 如基于Redis的 Redisson 或ZooKeeper實現。
• 適用場景：跨JVM或分布式系統同步。

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六、鎖的選擇與性能優化

鎖對比表

鎖類型	特性	性能	適用場景
synchronized	自動釋放，非公平鎖	低競爭時高效	簡單同步需求
ReentrantLock	可中斷、超時、公平鎖	高競爭時高效	復雜鎖需求
ReadWriteLock	讀寫分離	讀多寫少高效	緩存、查詢系統
StampedLock	樂觀讀，支持鎖升級	極高并發	讀多寫少，容忍數據不一致

最佳實踐

1. 減少鎖粒度：縮小臨界區范圍。
2. 避免嵌套鎖：防止死鎖（如按固定順序獲取鎖）。
3. 監控鎖競爭：使用JProfiler或JStack分析鎖狀態。

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七、總結

• 簡單場景優先選擇 synchronized（JVM優化成熟）。
• 復雜需求使用 ReentrantLock 或 ReadWriteLock。
• 極致性能考慮 StampedLock，但需謹慎處理數據一致性。

合理選擇鎖類型，結合性能測試和監控，是構建高效并發系統的關鍵。