【面试真题拆解06】Java锁机制:synchronized、ReentrantLock、锁升级、可重入锁

一句话：

Java 锁机制核心是 synchronized 和 ReentrantLock，两者都是可重入锁；

JDK 1.6+ 后 synchronized 引入锁升级（无锁➡️偏向锁➡️轻量级锁➡️重量级锁），性能大幅提升；

简单场景优先用 synchronized，需要高级功能（比如可中断、可超时、公平锁）时用 ReentrantLock。

为什么需要锁？

在并发场景下，多个线程同时修改同一个共享变量，会出现线程安全问题。

举个例子说明一下：

publicclassUnsafeCounter{privateint count = 0;publicvoidincrement(){        count++; // 这行代码不是原子操作！    }publicintgetCount(){return count;    }}

如果1000个线程同时调用 increment()，最终 count 的值很可能小于1000。

因为 count++ 不是原子操作，它分为读取count、count+1、写回count三步，多线程同时执行会互相覆盖。

锁的作用就是把这段代码加锁，让同一时间只有一个线程能执行，从而保证操作的原子性。

synchronized

synchronized 是JVM内置的关键字，不需要手动释放锁。

可以用synchronized给之前的例子上锁：

publicclassSafeCounter{privateint count = 0;// 锁实例方法：同一时间只有一个线程能执行publicsynchronizedvoidincrement(){        count++;    }publicintgetCount(){return count;    }}

ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent（JUC）包下的锁，是基于代码实现的锁，比 synchronized 更灵活，但需要手动释放锁。

也可以用ReentrantLock给之前的例子上锁：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;publicclassReentrantLockCounter{privateint count = 0;// 创建 ReentrantLock 实例private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();publicvoidincrement(){        lock.lock(); // 加锁try {            count++;        } finally {            lock.unlock(); // 必须在 finally 里释放锁，防止死锁        }    }publicintgetCount(){return count;    }}

ReentrantLock 有三个 synchronized 没有的功能：

可重入锁

synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。

那什么是可重入呢？

可重入的意思就是同一个线程，可以多次获取同一把锁，不会被自己阻塞。

那又为什么需要可重入呢？

举个递归调用的例子：

publicclassReentrantExample{//  synchronized 是可重入的publicsynchronizedvoidmethodA(){        System.out.println("执行 methodA");        methodB(); // 调用 methodB，methodB 也需要同一把锁    }publicsynchronizedvoidmethodB(){        System.out.println("执行 methodB");    }publicstaticvoidmain(String[] args){        ReentrantExample example = new ReentrantExample();        example.methodA();    }}

如果锁是不可重入的，那么线程在执行 methodA() 时已经拿到了锁，调用 methodB() 时会因为拿不到锁而被自己阻塞，导致死锁。

synchronized 的锁升级

在 JDK 1.6 之前，synchronized 是重量级锁，性能很差；

JDK 1.6 之后，引入了锁升级机制，提升了 synchronized 的性能。

锁升级的意思是：

随着多线程竞争的加剧，锁会从【无锁】➡️【偏向锁】➡️【轻量级锁】➡️【重量级锁】逐步升级，而且升级是单向的，只能升不能降。

Java对象在内存中分为3部分：

对象头、实例数据、对齐填充，其中对象头里的 Mark Word 会记录锁的状态。

而synchronized 的锁是存放在【对象头】里的。

Mark Word 的结构（32 位 JVM）：

锁升级的四个阶段

1. 无锁

没有线程竞争锁，对象处于无锁状态。

2. 偏向锁

只有一个线程多次获取同一把锁，没有其他线程竞争。第一个线程获取锁时，会在对象头的 Mark Word 里记录【偏向线程ID】，这个线程以后再次获取锁时，只需要检查偏向线程ID是不是自己，如果是，直接获取锁。当有第二个线程来竞争这把锁时，偏向锁会撤销，升级为轻量级锁。

3. 轻量级锁

多个线程交替获取锁，但是竞争不太激烈（比如线程A获取锁，执行完释放了，线程B再获取）。

线程在自己的栈帧里创建一个锁记录（Lock Record），用 CAS（Compare And Swap，比较并交换）操作，尝试把对象头的 Mark Word 替换成指向自己栈中锁记录的指针。

如果 CAS 成功，就获取到了轻量级锁。

当有多个线程同时竞争锁，CAS 失败多次，就会升级为重量级锁。

4. 重量级锁

多个线程同时竞争锁，竞争激烈。锁升级为重量级锁后，对象头的 Mark Word 会指向一个monitor（监视器）对象。

没有获取到锁的线程会进入阻塞队列，被操作系统挂起，等待持有锁的线程释放锁后唤醒。