Java多线程锁与线程安全

在Java多线程编程中，是否使用synchronized锁、如何选择原子类或显式锁，直接决定了线程安全性和性能。下面从核心区别、线程安全实现策略及选型依据三方面详细解析。

🔒 一、synchronized锁与无锁的区别

1. 无synchronized的情况

• 数据竞争与不一致性
  多个线程并发读写共享变量时，非原子操作（如i++）会被拆分为“读-改-写”三步，中间可能被其他线程打断，导致最终结果不符合预期。例如，两个线程同时执行count++（实际是count = count + 1），若初始count=0，可能两次操作后结果仍为1。
• 可见性问题
  线程修改变量后可能仅更新本地缓存，未同步到主内存，其他线程读取到旧值（尤其在未用volatile时）。

2. 使用synchronized的情况

• 互斥访问
  锁住对象或类（静态方法）的监视器（Monitor），同一时间仅一个线程能执行同步代码块或方法，确保操作的原子性。
• 内存可见性
  锁释放前会将修改强制刷到主内存，锁获取时会从主内存重新加载变量，解决可见性问题。

public class Counter {
    private int count;
    public synchronized void increment() { count++; } // 线程安全
}

3. 关键区别总结

🛡️ 二、多线程安全的实现策略

1. 锁机制

• synchronized
  优点：语法简单，自动释放锁，无泄漏风险。
  缺点：不支持超时、公平锁或条件变量；阻塞不可中断。
• ReentrantLock
  优点：支持公平锁、可中断锁、超时尝试（tryLock）、多条件变量（Condition）。
  缺点：需手动释放锁（finally中调用unlock()），否则死锁风险高。

private Lock lock = new ReentrantLock();
public void safeUpdate() {
    lock.lock();
    try { /* 临界区 */ } 
    finally { lock.unlock(); }
}

2. 原子类（java.util.concurrent.atomic）

• 原理
  基于CAS（Compare-And-Swap）指令实现无锁更新，如AtomicInteger.incrementAndGet()内部调用Unsafe.compareAndSwapInt()。
• 优势
  ⚡️ 无阻塞算法，高并发下性能优于锁（如计数器场景）。
• 局限性
  仅适用于单一变量原子操作，无法覆盖复合操作（如“先读后写”需配合自旋或版本控制）。

private AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
public void add() { atomicCount.incrementAndGet(); } // 线程安全且高效

3. 其他线程安全技术

• 线程安全容器
  如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList，内置分段锁或写时复制，避免显式同步。
• 线程局部存储（ThreadLocal）
  变量在线程间隔离，适用于无状态组件（如Spring单例Bean）。
• 不可变对象
  如String、Integer，天然线程安全。

⚖️ 三、选型建议：原子类 vs. 加锁

1. 优先使用原子类的场景

• 单一变量操作：计数器（AtomicInteger）、标志位（AtomicBoolean）。
• 高并发低竞争：CAS自旋开销小于线程阻塞唤醒。
• 版本控制需求：使用AtomicStampedReference解决ABA问题（如无锁队列）。

2. 优先使用锁的场景

• 复合操作：需多个变量或操作作为整体执行（如转账：扣减A账户并增加B账户）。
• 高级同步需求：

• 公平性：ReentrantLock(true)保障先到先得。
• 超时与中断：lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)。
• 条件等待：Condition.await()替代Object.wait()，支持多条件队列（如生产者-消费者模型）。

3. 决策流程图

graph TD
    A[需线程安全的操作] --> B{操作类型}
    B -->|单一变量原子更新| C[使用原子类]
    B -->|复合操作/多变量| D{是否需要高级功能？}
    D -->|是：超时、公平锁、条件变量| E[使用ReentrantLock]
    D -->|否| F[使用synchronized]

💎 总结

• 无锁 vs. 加锁：无锁存在数据竞争；synchronized通过互斥和内存屏障保障安全，但有性能损耗。
• 原子类：首选于简单原子操作，性能高且无阻塞。
• 显式锁：适用于复杂同步逻辑，但需手动管理避免死锁。
• 综合策略：多数场景下，计数器用AtomicInteger，复合操作用ReentrantLock，简单同步用synchronized，并优先使用线程安全容器隔离并发复杂性。