在 Java 并發編程中，鎖（Lock）是保證線程安全的關鍵工具。本文將全面介紹 Java 的鎖機制，包括 synchronized 關鍵字、Lock 接口及其實現、讀寫鎖、樂觀鎖與悲觀鎖等，幫助新手理解 Java 并發控制。

1. Java 中的鎖概述

鎖（Lock）用于控制多個線程對共享資源的訪問。不同的鎖機制可以提供不同的性能、可重入性、公平性和可中斷性等特性。

2. synchronized 關鍵字

synchronized 是 Java 內置的同步機制，依賴于 Java 虛擬機（JVM）實現。

2.1 用法示例

public class SynchronizedExample {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++;}
}

在上述示例中，increment 方法是同步方法，多個線程調用時會自動加鎖，保證 count 變量的線程安全。

2.2 synchronized 作用范圍

• 同步實例方法：鎖住當前實例（this）。
• 同步靜態方法：鎖住類對象（Class）。
• 同步代碼塊：可以鎖定特定對象，提高并發性。

public void method() {synchronized (this) {// 代碼塊}
}

2.3 synchronized 的特性

• 可重入性：一個線程獲取鎖后可以多次進入同步代碼。
• 不可中斷：線程獲取鎖后，其他線程只能等待。
• JVM 層面實現：使用 monitorenter 和 monitorexit 指令。

3. Lock 接口（顯式鎖）

Lock 接口提供比 synchronized 更靈活的鎖控制，主要實現類是 ReentrantLock。

3.1 ReentrantLock 用法

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockExample {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private int count = 0;public void increment() {lock.lock();try {count++;} finally {lock.unlock();}}
}

3.2 ReentrantLock 特性

• 可重入性：和 synchronized 類似，一個線程可以多次獲得相同的鎖。
• 可中斷：支持 lockInterruptibly() 方法，中斷等待鎖的線程。
• 公平鎖和非公平鎖：默認非公平鎖，可選擇公平鎖保證線程按請求順序獲取鎖。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平鎖

4. ReadWriteLock（讀寫鎖）

ReadWriteLock 提供讀鎖（多個線程可讀）和寫鎖（獨占）。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;public class ReadWriteLockExample {private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private int data = 0;public int read() {lock.readLock().lock();try {return data;} finally {lock.readLock().unlock();}}public void write(int value) {lock.writeLock().lock();try {data = value;} finally {lock.writeLock().unlock();}}
}

5. 樂觀鎖與悲觀鎖

5.1 悲觀鎖

認為競爭嚴重，每次訪問資源都加鎖（synchronized、Lock）。

5.2 樂觀鎖

認為競爭較少，使用 CAS（Compare And Swap） 機制，比如 AtomicInteger。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicExample {private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() {count.incrementAndGet();}
}

6. StampedLock（改進的讀寫鎖）

StampedLock 提供樂觀讀鎖，提高并發性能。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;public class StampedLockExample {private final StampedLock lock = new StampedLock();private int data = 0;public int read() {long stamp = lock.tryOptimisticRead();int currentData = data;if (!lock.validate(stamp)) { // 檢測數據是否被修改lock.readLock();try {currentData = data;} finally {lock.unlockRead(stamp);}}return currentData;}
}

7. ThreadLocal 變量

ThreadLocal 不是鎖，而是讓每個線程擁有自己的變量副本，避免鎖競爭。

public class ThreadLocalExample {private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);public void increment() {threadLocal.set(threadLocal.get() + 1);}
}

8. 選擇合適的鎖

鎖類型	特性	適用場景
synchronized	JVM 層面，簡單易用	適合簡單同步需求
ReentrantLock	可中斷、支持公平鎖	適合需要高級控制的場景
ReadWriteLock	讀寫分離，提高并發	讀多寫少的情況
StampedLock	樂觀讀，提高性能	適合高并發讀的場景
ThreadLocal	線程私有，無鎖	線程隔離數據

9. 總結

Java 提供了多種鎖機制，每種鎖都有其適用場景。synchronized 適用于簡單同步，Lock 提供更多控制，ReadWriteLock 適用于讀多寫少的情況，StampedLock 提供樂觀讀鎖以提高并發性能。此外，ThreadLocal 可用于無鎖并發，避免數據競爭。