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在Java多线程编程中，锁机制是保障线程安全的核心手段。虽然synchronized关键字能满足大部分场景需求，但在复杂并发场景下，ReentrantLock提供了更灵活、强大的锁控制能力。同时，合理控制锁的粒度也是提升程序性能的关键。本文将深入探讨ReentrantLock的特性与使用方法，并介绍如何实现更小级别的锁控制。

一、ReentrantLock：超越synchronized的高级锁

1.1 可重入性：线程的“重复通行证”

ReentrantLock与synchronized一样支持可重入性，即同一线程可以多次获取同一把锁，每次获取锁时计数器加1，释放锁时计数器减1，当计数器为0时才真正释放锁。这避免了线程因多次获取同一锁而导致的死锁问题。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void outerMethod() {lock.lock();try {innerMethod();} finally {lock.unlock();}
}public void innerMethod() {lock.lock();try {// 内部方法逻辑} finally {lock.unlock();}
}

1.2 公平锁与非公平锁：调度策略的选择

ReentrantLock支持两种锁模式：

• 非公平锁（默认）：新线程在尝试获取锁时，即使有线程在等待队列中，也可能直接获取锁，具有更高的吞吐量。
• 公平锁：线程严格按照申请锁的顺序依次获取，避免线程饥饿，但会降低一定的性能。

// 创建公平锁
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
// 创建非公平锁
ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock();

1.3 可中断锁：线程的“紧急刹车”

ReentrantLock允许线程在等待锁的过程中被中断，通过lockInterruptibly()方法实现：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {lock.lockInterruptibly();// 业务逻辑
} catch (InterruptedException e) {// 处理中断Thread.currentThread().interrupt();
} finally {lock.unlock();
}

当线程在等待锁时被中断，会抛出InterruptedException异常，从而可以及时处理中断逻辑，避免线程无限期等待。

1.4 超时锁：避免无限等待

tryLock()方法提供了限时获取锁的能力，可以指定等待时间，避免线程因无法获取锁而一直阻塞：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {try {// 获取锁后执行的逻辑} catch (InterruptedException e) {// 等待过程中被中断} finally {lock.unlock();}
} else {// 超时未获取到锁的处理
}

1.5 条件变量：更灵活的线程通信

ReentrantLock通过Condition接口提供了比synchronized更强大的线程协作能力。每个Condition都对应一个独立的等待队列，可以实现更精细的线程唤醒控制。

1.5.1 Condition核心方法

方法签名	作用描述
await()	当前线程释放锁并进入等待状态，直到被其他线程唤醒或中断
await(long timeout, TimeUnit unit)	当前线程等待指定时间，超时后自动唤醒
signal()	随机唤醒一个在该Condition上等待的线程
signalAll()	唤醒所有在该Condition上等待的线程

1.5.2 Condition使用模式

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();// 等待条件的线程
public void waitOnCondition() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (!conditionMet()) {  // 必须用while防止虚假唤醒condition.await();     // 释放锁并进入等待状态}// 条件满足后的业务逻辑} finally {lock.unlock();}
}// 通知条件的线程
public void signalCondition() {lock.lock();try {// 修改条件updateCondition();condition.signal();  // 唤醒一个等待线程} finally {lock.unlock();}
}

1.5.3 Condition vs synchronized的wait/notify

特性	synchronized+wait/notify	ReentrantLock+Condition
等待队列数量	每个对象只有一个等待队列	可创建多个独立的Condition，每个对应一个等待队列
唤醒精确性	只能随机唤醒一个线程或唤醒所有线程	可精确选择唤醒特定Condition队列中的线程
中断支持	等待过程中不可中断	支持中断（awaitInterruptibly()）
超时机制	仅支持带超时的wait(long timeout)	支持更灵活的超时设置（await(time, unit)）
条件检查原子性	需手动保证在同步块中检查条件	锁与条件操作集成，更安全

1.5.4 典型应用场景：有界队列

class BoundedQueue<T> {private final Queue<T> queue = new LinkedList<>();private final int capacity;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = lock.newCondition();  // 队列未满条件private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 队列非空条件public BoundedQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 入队操作public void enqueue(T item) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.size() == capacity) {notFull.await();  // 队列已满，等待非满条件}queue.add(item);notEmpty.signal();  // 入队后，通知队列非空} finally {lock.unlock();}}// 出队操作public T dequeue() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.isEmpty()) {notEmpty.await();  // 队列已空，等待非空条件}T item = queue.poll();notFull.signal();  // 出队后，通知队列未满} finally {lock.unlock();}}
}

场景 1：正常入队（队列未满）

场景 2：队列已满时生产者阻塞

场景 3：正常出队（队列非空）

场景 4：消费者唤醒生产者

1.6 Condition实现原理

Condition的实现依赖于AQS（AbstractQueuedSynchronizer），每个Condition对象都维护一个独立的等待队列：

1. 当线程调用await()时：
   • 当前线程会被封装成Node加入Condition队列
   • 释放锁（即修改AQS状态）
   • 线程进入等待状态
2. 当线程调用signal()时：
   • 从Condition队列头部取出一个Node
   • 将其转移到AQS的同步队列中
   • 被转移的线程有机会在锁释放时竞争锁

这种双队列设计使得Condition能够提供比synchronized更灵活的线程协作能力。

二、细化锁的粒度：从类级别到更小范围

2.1 类级别锁的局限性

类级别锁会导致所有实例方法的同步操作共享同一把锁，即使这些方法操作的是不同的实例资源。例如：

public class ClassLevelLock {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 静态方法使用类级别锁public static void staticMethod1() {lock.lock();try {// 操作静态资源} finally {lock.unlock();}}// 实例方法也使用类级别锁public void instanceMethod() {lock.lock();try {// 操作实例资源} finally {lock.unlock();}}
}

这种设计会导致以下问题：

• 不同实例的instanceMethod()调用会相互阻塞
• 静态方法与实例方法之间也会产生不必要的锁竞争

2.2 对象级别锁：实例资源的独立保护

为每个对象实例分配独立的锁，可以减少锁竞争：

public class InstanceLevelLock {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void instanceMethod1() {lock.lock();try {// 操作实例资源1} finally {lock.unlock();}}public void instanceMethod2() {lock.lock();try {// 操作实例资源2} finally {lock.unlock();}}
}

优势：

• 不同实例对象的同步方法调用不会相互阻塞
• 提高了实例级操作的并发度

注意事项：

• 对象级别锁仅适用于保护实例资源
• 如果需要保护静态资源，仍需使用类级别锁

2.3 字段级别锁：最小化锁范围

对于包含多个独立资源的类，可以为每个资源分配单独的锁，实现更细粒度的控制：

public class FineGrainedLock {private final List<String> list1 = new ArrayList<>();private final List<String> list2 = new ArrayList<>();private final ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();  // 保护list1private final ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();  // 保护list2public void addToList1(String item) {lock1.lock();try {list1.add(item);} finally {lock1.unlock();}}public void addToList2(String item) {lock2.lock();try {list2.add(item);} finally {lock2.unlock();}}// 同时操作两个资源时，需要获取两把锁public void mergeLists() {lock1.lock();try {lock2.lock();try {// 合并list1和list2} finally {lock2.unlock();}} finally {lock1.unlock();}}
}

优势：

• 对不同资源的并发操作互不影响，极大提升了并发度
• 锁的持有时间更短，减少线程等待时间

风险：

• 若需要同时操作多个资源，必须严格按固定顺序获取锁，否则可能导致死锁
• 锁数量过多会增加内存开销和上下文切换成本

2.4 方法级别锁的优化

即使是同一个方法，也可以通过分离锁保护的资源来提高并发度。例如：

public class OptimizedLock {private int counter1 = 0;private int counter2 = 0;private final ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();private final ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();// 原始实现：整个方法使用同一把锁public synchronized void incrementBoth() {counter1++;counter2++;}// 优化实现：分离锁保护不同资源public void optimizedIncrementBoth() {lock1.lock();try {counter1++;} finally {lock1.unlock();}lock2.lock();try {counter2++;} finally {lock2.unlock();}}
}

性能对比：
在高并发场景下，optimizedIncrementBoth()的吞吐量可能是synchronized incrementBoth()的数倍，因为它允许对counter1和counter2的并发操作。

三、锁优化的权衡与实践

3.1 锁粒度的权衡

锁粒度	优势	劣势	适用场景
类级别锁	实现简单，易于维护	并发度低，锁竞争激烈	保护静态资源
对象级别锁	减少不同实例间的竞争	无法保护静态资源	实例资源的并发访问
字段级别锁	并发度最高	实现复杂，易死锁	包含多个独立资源的类

3.2 无锁方案的替代

在某些场景下，可以使用无锁数据结构替代显式锁：

• 原子类（AtomicInteger、AtomicReference等）：基于CAS操作实现无锁同步
• 并发容器（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等）：内部使用细粒度锁或无锁算法
• 线程封闭：将数据限制在单个线程内访问，完全避免锁

3.3 性能测试与监控

在进行锁优化后，必须通过性能测试验证效果：

• 使用JMH等工具进行基准测试
• 通过JVM监控工具（如VisualVM、JProfiler）分析锁竞争情况
• 关注指标：吞吐量、响应时间、线程等待时间、上下文切换次数

示例：使用JMH测试不同锁方案的性能

@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
@Warmup(iterations = 5)
@Measurement(iterations = 10)
@Threads(10)
@Fork(2)
public class LockBenchmark {private final SynchronizedCounter syncCounter = new SynchronizedCounter();private final ReentrantLockCounter reentrantCounter = new ReentrantLockCounter();private final AtomicCounter atomicCounter = new AtomicCounter();@Benchmarkpublic void testSynchronized() {syncCounter.increment();}@Benchmarkpublic void testReentrantLock() {reentrantCounter.increment();}@Benchmarkpublic void testAtomic() {atomicCounter.increment();}
}

四、总结

ReentrantLock为Java多线程编程提供了强大而灵活的锁控制能力，特别是通过Condition接口实现的精细线程协作。合理控制锁的粒度，从类级别到对象级别、字段级别逐步细化，可以有效减少锁竞争，提升程序的并发性能。在实际开发中，应根据具体业务场景选择合适的锁机制和锁粒度，并通过性能测试验证优化效果，在保证线程安全的前提下实现最优的性能表现。