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Java 中的 synchronized 与 Lock：深度对比、使用场景及高级用法

news 2025/6/14 11:42:04

💡 前言

在多线程并发编程中，线程安全问题始终是开发者需要重点关注的核心内容之一。Java 提供了多种机制来实现同步控制，其中最常用的两种方式是：

使用 synchronized 关键字
使用 java.util.concurrent.locks.Lock 接口（如 ReentrantLock）

虽然两者都能实现线程同步功能，但它们在使用方式、灵活性、可扩展性以及性能优化方面存在显著差异。

本文将从底层原理、语法结构、使用场景、优缺点、最佳实践等多个维度对 synchronized 和 Lock 进行全面深入的解析，并通过大量代码示例帮助你更好地理解它们之间的区别与联系。

📌 一、`synchronized` 关键字详解

1. 基本概念

synchronized 是 Java 内置的关键字，用于保证多个线程对共享资源访问时的互斥性和可见性。它可以修饰方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程可以执行被同步的代码。

2. 使用方式

（1）修饰实例方法

public synchronized void method() {// 同步整个方法体
}

此时锁对象是当前类的实例（即 this）。

（2）修饰静态方法

public static synchronized void staticMethod() {// 同步静态方法
}

此时锁对象是当前类的 Class 对象（即 ClassName.class）。

（3）修饰代码块（推荐）

public void method() {synchronized (this) {// 同步代码块}
}

更灵活，可以指定任意对象作为锁，推荐使用这种方式以减少锁定范围。

3. 特性总结

特性	描述
自动释放锁	JVM 在同步块执行结束后自动释放锁
不可中断	等待获取锁的线程无法被中断
非公平锁	多个线程竞争时，不保证先等待的线程优先获得锁
可重入性	支持同一个线程多次获取同一把锁

🔑 二、`Lock` 接口详解（以 `ReentrantLock` 为例）

1. 基本概念

Lock 是 Java 5 引入的一个接口，位于 java.util.concurrent.locks 包下。常见的实现类有：

ReentrantLock：可重入锁
ReadWriteLock：读写分离锁（实现类为 ReentrantReadWriteLock）

相比 synchronized，Lock 更加灵活和强大，提供了更多高级功能。

2. 使用方式

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); // 手动加锁
try {// 临界区逻辑
} finally {lock.unlock(); // 必须放在 finally 块中释放锁
}

⚠️ 注意：必须手动调用 unlock()，否则可能导致死锁！

3. 核心特性

特性	描述
手动管理锁	需要显式调用 `lock()` 和 `unlock()`
可中断等待	支持线程在等待锁的过程中响应中断（`lockInterruptibly()`）
超时获取锁	支持尝试获取锁并设置超时时间（`tryLock(long time, TimeUnit unit)`）
公平锁/非公平锁	构造函数可选择是否启用公平锁
条件变量支持	提供 `Condition` 接口，实现更细粒度的线程通信

🤔 三、`synchronized` 与 `Lock` 的核心区别对比表

功能	`synchronized`	`Lock`
加锁方式	自动加锁、解锁	手动加锁、解锁
锁类型	非公平锁	可选公平/非公平
可中断	❌ 不支持	✅ 支持
超时机制	❌ 不支持	✅ 支持
尝试获取锁	❌ 不支持	✅ 支持
条件变量	❌ 不支持	✅ 支持
性能优化	JDK 1.6+ 已优化	更适合高并发场景
适用场景	简单同步需求	复杂并发控制场景

🎯 四、使用场景对比与建议

场景	推荐使用	说明
简单方法或代码块同步	`synchronized`	实现简单，无需手动释放锁
高并发、复杂同步控制	`Lock`	提供更多控制选项，如公平锁、尝试锁等
需要线程中断响应	`Lock`	`synchronized` 不支持中断等待
需要条件变量配合	`Lock`	`Condition` 可替代传统的 `wait/notify`
需要超时获取锁	`Lock`	`tryLock()` 方法非常实用

🧪 五、实战案例分析

案例 1：带超时的锁获取（适用于防止死锁）

Lock lock = new ReentrantLock();boolean isLocked = false;
try {isLocked = lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS);if (isLocked) {try {// 执行业务逻辑} finally {lock.unlock();}} else {System.out.println("未能在3秒内获取到锁");}
} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.out.println("线程被中断");
}

案例 2：使用 `Condition` 实现生产者-消费者模型

class BoundedQueue {private final Lock lock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = lock.newCondition();private final Condition notEmpty = lock.newCondition();private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int capacity;public BoundedQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;}public void put(int value) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.size() == capacity) {notFull.await(); // 等待队列不满}queue.add(value);notEmpty.signal(); // 唤醒消费者} finally {lock.unlock();}}public int take() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.isEmpty()) {notEmpty.await(); // 等待队列不空}return queue.poll();} finally {lock.unlock();}}
}

🧠 六、底层原理简析（进阶）

1. `synchronized` 的底层实现

在 JVM 层面，synchronized 是基于 Monitor（监视器）机制实现的。每个 Java 对象都关联一个 Monitor，当线程进入同步块时，会尝试获取该对象的 Monitor，成功则进入，失败则阻塞。

JVM 对其进行了多项优化，包括：

偏向锁（Biased Locking）
轻量级锁（Lightweight Locking）
自旋锁（Spin Lock）
锁粗化（Lock Coarsening）
锁消除（Lock Elimination）

这些优化使得 synchronized 在现代 JVM 上表现优异。

2. `ReentrantLock` 的底层实现

ReentrantLock 底层依赖于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）框架，是一个基于 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列的同步工具。

它通过 CAS（Compare and Swap）操作和 volatile 变量实现线程安全，具有更高的可控性和灵活性。

🛠️ 七、最佳实践与注意事项

建议	说明
优先考虑 `synchronized`	如果只是简单的同步，优先使用 `synchronized`，避免复杂代码
`Lock` 放在 `finally` 中释放	防止因异常导致死锁
使用 `tryLock()` 防止死锁	在某些情况下，尝试获取锁比无限等待更合理
避免嵌套锁	容易引发死锁，应尽量避免或使用工具检测
选择公平锁需谨慎	公平锁虽然保证顺序，但可能带来性能损耗
使用 `Condition` 替代 `wait/notify`	更清晰、线程安全

📘 八、总结

项目	`synchronized`	`Lock`
是否内置	✅ 是	❌ 否
使用难度	简单	复杂
控制粒度	粗	细
功能丰富度	一般	强大
性能表现	好	更好（高并发）
推荐用途	初学者、简单同步	高级用户、复杂并发控制