分布式微服务系统架构第140集：锁机制一览

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锁机制一览

分类	Java 实现／示例	特点	适用场景
悲观锁	synchronized、ReentrantLock（默认）	全程加锁，阻塞等待，开销大	高冲突写场景
乐观锁	数据库 version 字段+CAS	无锁操作，提交时校验，冲突回退	冲突少、读多写少
分布式锁	Redis、ZooKeeper 实现	集群环境下的全局互斥	分布式系统资源争夺
可重入锁	ReentrantLock、synchronized	同一线程可重复获得，避免自死锁	嵌套调用需要二次加锁
自旋锁	while(tryLock()){}	不阻塞线程，循环尝试，占用 CPU	临界区极短、线程冲突不激烈
独享锁	ReentrantLock、写锁	单线程占有，互斥执行	写操作独占
共享锁	ReentrantReadWriteLock 读锁	多线程共享，无阻塞读；写时独占	读多写少、高并发读
公平锁	new ReentrantLock(true)	按请求顺序分配，防止饥饿	对响应时序要求严格
非公平锁	默认 ReentrantLock()、synchronized	吞吐量高，可能造成线程饥饿	性能优先，偶尔可容忍饥饿
分段锁	JDK7 ConcurrentHashMap	将数据分段锁，细化锁粒度	大规模并发 Map 操作
阻塞锁	lock()、await()	线程阻塞挂起，唤醒后抢占	需等待条件满足、阻塞式协调
信号量	Semaphore	控制多线程对多个资源的并发访问	限流、线程池可用许可管理
条件变量	Condition	替代 wait/notify，可精确唤醒指定线程	复杂线程通信、分组唤醒
行级锁	SQL UPDATE … WHERE	数据库内部对记录加锁，粒度最细，高性能	高并发下库存扣减、状态流转

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1. 悲观锁（Pessimistic Lock）

• 原理：在读写期间始终加锁，其他线程必须等待。

• 实现：

  • Java：synchronized（重量级锁）
  • Java：ReentrantLock 默认即悲观锁

• 优缺点：

  • ✅ 安全、简单
  • ❌ 长锁占用导致并发度低，阻塞严重

• 示例：

  synchronized(this) {
    // 处理临界区
  }
  

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2. 乐观锁（Optimistic Lock）

• 原理：不加锁，读时取得版本号，写时通过 CAS 验证版本，无冲突则更新。

• 实现：常见于数据库，表中增加 version 字段，更新语句：

  UPDATE table
  SET col = ?, version = version + 1
  WHERE id = ? AND version = ?
  

• 优缺点：

  • ✅ 无锁开销，读写几乎不阻塞
  • ❌ 冲突时需回滚重试，编程复杂

• 适用：冲突少、读多写少场景，如用户资料更新。

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3. 分布式锁（Distributed Lock）

• 原理：借助外部系统（Redis、ZooKeeper、Etcd）维护全局锁。

• 实现：

  • Redis：SET key value NX PX timeout
  • ZooKeeper：EPHEMERAL + 顺序节点

• 优缺点：

  • ✅ 可跨服务/跨语言互斥
  • ❌ 需处理单点、性能和超时等问题

• 适用：微服务间资源争抢，如生成唯一订单号。

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4. 可重入锁（Reentrant Lock）

• 原理：同一线程可多次获得同一把锁，锁计数器递增/递减。

• 实现：

  • Java：synchronized（内置可重入）
  • Java：ReentrantLock

• 优点：避免递归调用、嵌套方法中的死锁。

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5. 自旋锁（Spin Lock）

• 原理：线程不断轮询尝试获取锁，不进入阻塞状态。

• 实现：

  while (!lock.tryLock()) {
    // 自旋
  }
  try { … } finally { lock.unlock(); }
  

• 优缺点：

  • ✅ 不切换线程上下文，低延迟
  • ❌ CPU 占用高，适合临界区极短的场景。

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6. 读写锁（Read–Write Lock）

• 原理：将锁分为读锁（共享）和写锁（独占）。

• 实现：ReentrantReadWriteLock

• 优缺点：

  • ✅ 多线程并发读，高效无阻塞
  • ❌ 写锁独占，升级/降级逻辑复杂

• 示例：

  ReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
  rw.readLock().lock();
  // 读操作
  rw.readLock().unlock();
  

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7. 公平锁 vs 非公平锁

类型	分配策略	吞吐量	典型实现
公平锁	按请求顺序（FIFO）分配	较低	new ReentrantLock(true)
非公平锁	抢占式，可能插队	较高	默认 synchronized、ReentrantLock()

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8. 分段锁（Segment Lock）

• 原理：把大数据结构分段，每段独立加锁，降低冲突域。

• 实现：

  • JDK7 ConcurrentHashMap 用 Segment 继承 ReentrantLock

• 适用：大规模并发 Map 操作。

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9. 信号量（Semaphore）

• 原理：内部计数器控制可并发访问资源数。

• Java 实现：java.util.concurrent.Semaphore

• 示例：

  Semaphore sem = new Semaphore(3);
  sem.acquire();  // 获取许可
  try { … } finally { sem.release(); }
  

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10. 条件变量（Condition）

• 原理：替代 wait/notify，多条件队列，可精确唤醒。

• Java 实现：Lock.newCondition()

• 示例：

  Lock lock = new ReentrantLock();
  Condition cond = lock.newCondition();
  lock.lock();
  cond.await();      // 等待
  cond.signalAll();  // 唤醒
  lock.unlock();
  

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11. 行级锁（Row Lock）

• 原理：数据库引擎对单行记录加锁，粒度最细。

• 示例：

  UPDATE inventory
  SET amount = amount - 1
  WHERE id = ? AND amount > 0;
  

• 优点：并发度最高，适合高并发库存扣减、状态流转。

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选型建议

• 冲突多、写密集：悲观锁或分布式锁
• 读多写少：乐观锁 + 读写锁
• 分布式环境：Redis/ZooKeeper 分布式锁
• 高并发读写：分段锁 + 读写锁
• 限流场景：信号量

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