ReentrantLock 锁优化与 synchronized 锁膨胀的共同点
在 Java 并发编程中，ReentrantLock 和 synchronized 都是用于控制线程同步的锁机制。虽然它们在实现上有所不同，但它们在优化与锁膨胀的过程中具有一些共同点。本文将深入探讨它们的优化机制，并分析它们在高并发场景下的表现。
1. synchronized 锁膨胀机制
synchronized 在 Java 1.6 之后经历了多次优化，主要采用了 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 自旋锁 -> 重量级锁 的升级策略。
1.1 锁的升级过程
偏向锁（Biased Locking）：
- 适用于单线程访问的情况。
- 线程获取锁时，不会执行 CAS 操作，而是直接记录线程 ID。
- 若没有竞争，则始终由同一线程持有。
轻量级锁（Lightweight Locking）：
- 适用于少量线程竞争的情况。
- 线程尝试用 CAS 操作将锁对象的 Mark Word 更新为当前线程 ID。
- 如果 CAS 失败，则表示有竞争，需要升级为自旋锁。
自旋锁（Spin Lock）：
- 适用于短时间竞争的情况。
- 线程在获取锁失败时不会立即阻塞，而是执行若干次自旋（默认 10 次）。
- 若在自旋期间仍然获取不到锁，则升级为重量级锁。
重量级锁（Heavyweight Locking）：
- 适用于高并发场景。
- 线程竞争激烈时，会触发锁的膨胀，导致线程进入阻塞状态，降低 CPU 空转。
1.2 synchronized 锁膨胀的触发条件
- 线程竞争加剧：多个线程同时竞争锁，导致自旋失败。
- 长时间自旋无效：自旋锁默认执行 10 次，若仍然无法获取锁，则进入重量级锁。
- 对象被多个线程频繁修改：导致偏向锁撤销，退化为轻量级锁或更高级的锁。
2. ReentrantLock 锁优化机制
ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包提供的一种显式锁，它通过 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）管理线程竞争。与 synchronized 类似，ReentrantLock 也有优化策略，但它提供了更精细的控制能力。
2.1 ReentrantLock 的优化策略
自旋 + CAS：
- 使用 CAS（Compare-And-Swap）操作尝试获取锁，避免线程立即进入阻塞。
- 自旋失败后，进入等待队列，减少 CPU 资源浪费。
公平锁 & 非公平锁：
- 非公平锁（默认）：线程尝试直接获取锁，提高吞吐量。
- 公平锁：线程按照队列顺序依次获取锁，减少线程饥饿。
AQS 队列优化：
- 线程在获取锁失败后，进入 AQS 的 FIFO 等待队列。
- 通过
park()挂起线程，避免频繁自旋消耗 CPU。
可中断锁：
- 线程在等待锁时，可以响应
interrupt()进行中断，避免死锁问题。
- 线程在等待锁时，可以响应
3. 共同点分析
虽然 synchronized 和 ReentrantLock 采用不同的实现机制，但在锁优化过程中，它们具有以下共同点：
3.1 都采用自旋锁降低线程阻塞成本
- synchronized 在轻量级锁阶段使用 CAS + 自旋，避免线程立即进入阻塞。
- ReentrantLock 采用自旋 + CAS 进行锁竞争，提高性能。
3.2 都提供了从低开销到高开销的锁升级策略
- synchronized 从 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 自旋锁 -> 重量级锁 逐步升级。
- ReentrantLock 通过 CAS 获取锁 -> AQS 队列，在竞争激烈时进入等待队列。
3.3 都利用 AQS 或队列管理线程竞争
- synchronized 的重量级锁使用操作系统的 阻塞队列 来管理等待线程。
- ReentrantLock 直接使用 AQS 维护一个 FIFO 队列。
3.4 都可以避免死锁和减少 CPU 资源浪费
- synchronized 通过 自旋锁 + 线程阻塞 机制，降低 CPU 资源浪费。
- ReentrantLock 允许可中断锁，避免线程无限等待，降低死锁风险。
3.5 都支持重入
- synchronized 允许同一线程多次获取同一个锁。
- ReentrantLock 也支持可重入性，即同一线程可以多次 lock() 而不会阻塞自己。
4. 适用场景对比
| 特性 | synchronized | ReentrantLock |
|---|---|---|
| 实现方式 | JVM 内置锁，依赖对象头 Mark Word | 依赖 AQS，基于 CAS 及队列实现 |
| 性能优化 | 偏向锁、轻量级锁、自旋、膨胀 | 自旋、AQS 队列、可中断锁 |
| 自旋锁 | 轻量级锁阶段使用 | 内部优化采用 CAS |
| 锁升级机制 | 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁 | CAS -> AQS 排队 |
| 可重入性 | 支持 | 支持 |
| 公平性 | 非公平，不能手动控制 | 支持公平锁与非公平锁 |
| 可中断 | 不支持 | 支持可中断锁 |
| 适用于 | 简单同步场景 | 复杂并发控制，细粒度锁 |
5. 总结
- synchronized 和 ReentrantLock 都采用了 CAS 和自旋锁优化锁竞争，以减少线程阻塞。
- 两者都提供锁升级机制，以适应不同的竞争强度，提高吞吐量。
- 两者都使用了队列管理线程等待，减少资源浪费，提升性能。
- ReentrantLock 提供了更丰富的功能，如公平锁、可中断锁等，适用于复杂并发场景，而 synchronized 适用于简单同步控制。
在选择时，
- synchronized 适用于锁竞争较小、简单同步的场景。
- ReentrantLock 更适合高并发、大量竞争的复杂业务逻辑。
希望这篇文章能帮助你更好地理解 synchronized 和 ReentrantLock 的优化机制及其共同点。🚀