在Java编程中，多线程并发是一个常见的场景。为了保证线程安全性，Java提供了一系列的锁机制，用于控制对共享资源的访问。这些锁机制在并发编程中起着至关重要的作用，确保多个线程能够协同工作而不产生竞态条件或数据不一致的问题。本文将深入探讨Java中的锁机制，包括传统的synchronized关键字、ReentrantLock类以及更为高级的读写锁和StampedLock。
1. synchronized关键字
1.1 基本概念
Java的synchronized关键字是最基本的锁机制之一。它可以用来修饰方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程能够访问被锁定的代码。
public synchronized void synchronizedMethod() { // 线程安全的操作 }
1.2 内置锁
synchronized使用的是内置锁，也称为监视器锁。每个Java对象都有一个与之关联的内置锁，通过synchronized关键字可以对这个锁进行操作。当一个线程试图访问一个被synchronized修饰的方法或代码块时，它会尝试获取对象的内置锁，如果锁已经被其他线程占用，那么线程将被阻塞，直到获取到锁为止。
1.3 限制
虽然synchronized是简单易用的锁机制，但它也有一些限制。首先，它是非公平的，不能保证等待时间最长的线程会最先获得锁。其次，一旦线程进入synchronized代码块，其他线程必须等待，不能中途取消。
2. ReentrantLock
2.1 概述
ReentrantLock是Java.util.concurrent包中提供的一种更灵活的锁机制。与synchronized不同，ReentrantLock允许线程在获得锁之后再次进入同步代码块，即支持重入。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class ReentrantLockExample { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void someMethod() { lock.lock(); try { // 线程安全的操作 } finally { lock.unlock(); } } }
2.2 公平性与非公平性
ReentrantLock提供了公平性选择。在构造函数中，可以选择是否使用公平锁。公平锁按照线程请求锁的顺序进行获取，而非公平锁允许插队，可能会导致某些线程一直获取不到锁。
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁 ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(); // 非公平锁
2.3 条件变量
ReentrantLock还支持条件变量，可以通过newCondition方法创建。条件变量允许线程在获取锁之后等待或者唤醒，提供了更为灵活的线程通信方式。
import java.util.concurrent.locks.Condition; public class ReentrantLockWithCondition { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private final Condition condition = lock.newCondition(); public void await() throws InterruptedException { lock.lock(); try { condition.await(); } finally { lock.unlock(); } } public void signal() { lock.lock(); try { condition.signal(); } finally { lock.unlock(); } } }
3. 读写锁（ReadWriteLock）
3.1 概念
ReadWriteLock接口提供了一种更为精细的锁分离机制，分为读锁和写锁。读锁可以被多个线程同时持有，但写锁是独占的，只能被一个线程持有。
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; public class ReadWriteLockExample { private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(); public void readMethod() { readWriteLock.readLock().lock(); try { // 执行读操作 } finally { readWriteLock.readLock().unlock(); } } public void writeMethod() { readWriteLock.writeLock().lock(); try { // 执行写操作 } finally { readWriteLock.writeLock().unlock(); } } }
3.2 适用场景
ReadWriteLock适用于读多写少的场景，可以提高系统的并发性能。读锁的共享特性使得多个线程可以同时读取共享资源，而写锁的独占特性保证了写操作的原子性。
4. StampedLock
4.1 概述
StampedLock是Java 8引入的新锁机制，结合了读写锁和乐观锁的特点。它引入了"stamp"的概念，用来标记锁的状态。
import java.util.concurrent.locks.StampedLock; public class StampedLockExample { private final StampedLock stampedLock = new StampedLock(); public void readMethod() { long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); try { // 乐观读操作 if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 转为悲观读 stamp = stampedLock.readLock(); try { // 执行悲观读操作 } finally { stampedLock.unlockRead(stamp); } } } finally { stampedLock.unlock(stamp); } } public void writeMethod() { long stamp = stampedLock.writeLock(); try { // 执行写操作 } finally { stampedLock.unlockWrite(stamp); } } }
4.2 乐观读与悲观读
StampedLock引入了乐观读和悲观读的概念。在乐观读模式下，线程尝试获取一个标记（stamp），然后进行读操作，最后通过validate方法验证标记是否仍然有效。如果标记无效，表示在读操作期间有写操作发生，需要切换为悲观读模式。悲观读模式下，线程直接获取读锁，执行读操作，然后释放读锁。
4.3 适用场景
StampedLock适用于读操作远远多于写操作的情况，并且乐观读是常态的场景。相较于ReadWriteLock，StampedLock提供了更高的并发性能。
5. 性能比较与选择
在选择锁的时候，需要根据具体的业务场景和性能需求来进行权衡。以下是一些选择锁的一些建议：
- 如果并发要求不高，可以使用
synchronized关键字，它简单易用，不需要手动释放锁，适用于简单的线程同步场景。 - 如果需要更灵活的控制和可重入特性，可以选择
ReentrantLock，并且可以根据实际情况选择公平锁或非公平锁。 - 如果读操作远远多于写操作，可以选择
ReadWriteLock，提高系统的并发性能。 - 如果乐观读是常态，并且读操作频繁，可以考虑使用
StampedLock，它提供了更高的并发性能。
6. 总结
Java中的锁机制为多线程编程提供了强大的支持，开发人员可以根据实际需求选择合适的锁来保证线程安全性。从简单的synchronized关键字到更为灵活的ReentrantLock，再到适用于读多写少场景的ReadWriteLock，以及引入了乐观读的StampedLock，Java提供了丰富的锁机制，帮助开发人员更好地处理并发编程中的各种情况。在实际应用中，合理选择锁机制是提高系统性能和稳定性的关键一步。
