java有哪些锁？讲讲AQS

# 一、Java 有哪些“锁”（按语义/实现分类） ## 1) 语言级 * **`synchronized`**（对象监视器，JVM 指令 `monitorenter/monitorexit`） * 特性：可重入、不可中断获取、无超时、自动释放、异常即释放、内存语义强（解锁→加锁 *happens-before*）。 * HotSpot 锁状态：无锁 → 轻量级（自旋/CAS）→ 重量级（阻塞）；**偏向锁 JDK15 起默认禁用，JDK18 起移除**。 * 适合：简单临界区、代码可读性优先。 ## 2) JUC 显式锁（`java.util.concurrent.locks`） * **`ReentrantLock`**：可重入；**可中断获取**、**可超时**、**可公平**、多 `Condition`。 * **`ReentrantReadWriteLock`**：读写分离（读共享、写独占），读多写少。 * **`StampedLock`**：写独占、读共享、**乐观读**（验证失败再退化）；**不可重入**，不与条件队列配合，适合极端读多场景的短读路径。 > 以上三者的核心同步都建立在 **AQS** 上（后面详讲）。 ## 3) 同步器 / “信号量类”（也基于 AQS） * **`Semaphore`**（许可数控制并发度）、**`CountDownLatch`**（一次性栅栏）、**`CyclicBarrier`**（阶段对齐，非 AQS）、**`Phaser`**（多阶段对齐）、**`FutureTask`**/`SynchronousQueue` 等。 ## 4) 原子/无锁（不属于“锁”，但常与其对比） * **`volatile`**（可见性/有序性，不保证复合原子性） * **`Atomic*`/`LongAdder`/`VarHandle`**（CAS 乐观更新，冲突少时更高效） # 二、AQS 是什么 & 怎么工作（核心机制） **AQS（AbstractQueuedSynchronizer）** = 用一个 **`int state`** + **FIFO 等待队列（CLH 变体）** + **park/unpark** 封装出“独占/共享”两类同步语义的**模板**。 * **关键字段** * `volatile int state`：同步状态（如重入次数、剩余许可等），**CAS** 修改。 * **等待队列**：双向链表节点持有 `Thread`、模式（独占/共享）、等待状态。 * **两种模式** * **独占**：同一时刻最多 1 个持有者（`ReentrantLock`/写锁） * **共享**：同一时刻可多个持有者（读锁、`Semaphore` 许可 > 1） * **模板方法（子类实现）** * `tryAcquire(int)` / `tryRelease(int)`（独占） * `tryAcquireShared(int)` / `tryReleaseShared(int)`（共享） * AQS 负责排队、阻塞、唤醒、公平性、超时/可中断等通用流程。 * **获取流程（独占为例）** 1. 尝试 CAS 改 `state` → 成功则获得锁； 2. 失败则入队，按**公平/非公平**策略排队； 3. 排到头节点前驱可用时，`park()` 阻塞，等待被前驱释放后 `unpark()`； 4. 被唤醒再尝试获取，成功后成为新的 head。 * **释放流程** * 调用子类 `tryRelease` 成功 → 置 head 状态可传播 → 唤醒（`unpark`）后继节点（独占唤 1；共享可级联唤醒）。 * **可中断/超时** * AQS 内置 `acquireInterruptibly`、`tryAcquireNanos` 等，统一封装。 * **Condition 支持** * `ConditionObject`：条件队列与同步队列分离。`await()` 将当前线程从同步队列**移入条件队列并释放锁**；`signal()` 把条件队列的首节点转移回同步队列等待重新竞争锁。 * **可重入** * 子类（如 `ReentrantLock`）在 `tryAcquire` 中：同一线程再次获取则 `state++`；释放时 `state--` 直到 0 真释放。 > AQS 把“**算法（排队/阻塞/唤醒）**”与“**策略（如何判断可获取/释放）**”解耦，子类只实现 *try* 方法即可复用一整套可靠的并发控制流程。 # 三、基于 AQS 的典型实现如何映射到 `state` * **`ReentrantLock`**（独占）：`state`=重入次数；`tryAcquire` 在 state==0 时 CAS 置为 1 并记录 owner，重入则 `state++`；`tryRelease` 递减到 0 时清 owner。 * **`ReentrantReadWriteLock`**（共享+独占混合）：`state` 用高 16 位计 **读锁计数**，低 16 位计 **写锁重入**；写锁独占，读锁共享，写优/读优通过队列策略控制。 * **`Semaphore`**（共享）：`state`=剩余许可，获取时 `CAS(state, state-n)`。 * **`CountDownLatch`**（共享）：`state`=计数，`countDown()` 递减到 0 后唤醒所有等待者。 * **`StampedLock`**：不是直接继承 AQS，但思想相近（state+队列），额外有“戳（stamp）”和乐观读校验。 # 四、最小示例：用 AQS 写一个不可重入互斥锁 ```java import java.util.concurrent.locks.*; import java.util.concurrent.atomic.*; import java.util.concurrent.*; public class SimpleMutex implements Lock { private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { @Override protected boolean tryAcquire(int arg) { // state=0 -> 1，设置独占线程 if (compareAndSetState(0, 1)) { setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } @Override protected boolean tryRelease(int arg) { if (getState() == 0 || getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); setExclusiveOwnerThread(null); setState(0); return true; // 唤醒后继 } @Override protected boolean isHeldExclusively() { return getState() == 1 && getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } Condition newCondition() { return new ConditionObject(); } } private final Sync sync = new Sync(); @Override public void lock() { sync.acquire(1); } @Override public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireInterruptibly(1); } @Override public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); } @Override public boolean tryLock(long t, TimeUnit u) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, u.toNanos(t)); } @Override public void unlock() { sync.release(1); } @Override public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); } } ``` # 五、怎么选哪个锁（实战建议） * **简单同步块** → `synchronized`（首选，语义清晰，JIT 优化成熟）。 * **需要可中断/可超时/公平/多条件队列** → `ReentrantLock`（配 `Condition`）。 * **读多写少** → `ReentrantReadWriteLock`；读极多写极少且读很短 → `StampedLock`（乐观读 + 验证）。 * **限流/并发阈值** → `Semaphore`；**等待 N 个任务** → `CountDownLatch`；**阶段对齐** → `CyclicBarrier/Phaser`。 * **计数/指标** → `LongAdder`；**状态机/指针更新** → 原子类/`VarHandle`。 * **优先避免共享** → `ThreadLocal` / 消息队列（用“消息”代替锁）。 # 六、常见坑点（快速排雷） * `synchronized`/`Lock` **一定 `finally` 解锁**；`Condition.await()` 要配 `while` 重新检查条件。 * **自旋时间过长** 会拖 CPU（让临界区短小，不要持锁做 IO/远程调用）。 * **读锁内升级写锁** 不可行（会死锁）；先释放读锁再获取写锁；**写锁降级**可安全：写→读→释放写。 * **`StampedLock` 不可重入**，且不支持 `Condition`；谨慎用于复杂调用链。 * **公平锁** 防饿死但吞吐低于非公平；默认用非公平，极端场景再切换公平。