Java JUC 锁与原子类

java.util.concurrent 中的显式锁与原子类：相对 synchronized 的能力边界与适用场景。

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[!info] related notes

所属 MOC：并发 · 学习路线

前置概念：synchronized 与 volatile · 线程

后续概念：并发集合 · 线程池

容易混淆：公平锁性能、CAS ABA

Java JUC 锁与原子类

这个概念为什么出现

synchronized 简洁，但缺少超时获取、可中断获取、多条件队列等能力。java.util.concurrent.locks 与原子类提供更细控制与无锁算法基础（CAS）。

[!abstract] 一句话理解 ReentrantLock 等提供显式加解锁与高级特性；原子类提供单变量操作的原子性，CAS 是其中一种更新方式；选它们是因为需求超出内置锁或单变量热点更新。

最小可运行示例

场景：抢券用原子计数；复杂临界区用 ReentrantLock 超时

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CouponRace {
    private final AtomicInteger remaining = new AtomicInteger(1);
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    boolean tryTakeAtomic() {
        while (true) {
            int cur = remaining.get();
            if (cur <= 0) return false;
            if (remaining.compareAndSet(cur, cur - 1)) return true;
        }
    }

    boolean tryCriticalWork() throws InterruptedException {
        if (lock.tryLock(50, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
            try {
                return true; // 模拟临界区
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CouponRace r = new CouponRace();
        System.out.println(r.tryTakeAtomic());
        System.out.println(r.tryTakeAtomic());
        System.out.println(r.tryCriticalWork());
    }
}

建议运行：

javac CouponRace.java && java CouponRace

期望输出：

true
false
true

结合场景再看三个关注点

CAS 循环处理竞争。
成功获取锁后，unlock 放在 finally；tryLock 返回 false 时不能解锁。\
超时只限制获取锁的等待，不限制进入临界区后的工作耗时。

核心概念与准确模型

1. ReentrantLock

可重入
公平/非公平
lockInterruptibly / tryLock
多 Condition

2. 读写锁

ReadWriteLock：读多写少场景（先测量）

3. 原子类

AtomicInteger/AtomicReference 提供原子读写与 CAS 等操作。
LongAdder 面向高并发统计，sum 不是并发更新下的原子快照，不能用“sum 后判断再递减”实现限额抢券。\
单变量更新；复杂不变量仍要锁或无锁结构

边界情况与反直觉行为

忘记 unlock → 永久阻塞。
CAS ABA 问题（需要时用 AtomicStampedReference）。
公平锁吞吐可能更差，也不保证线程调度公平；ReentrantLock 的无参 tryLock 不遵守公平排队策略。
updateAndGet 等函数式原子更新在竞争时可能重复执行更新函数，函数应无副作用。\

常见误区

[!warning] 常见误区：所有地方替换为 ReentrantLock 无额外需求时 synchronized 更简单；可读性也是正确性的一部分。

工程实践

锁对象私有。
统计性热点计数可考虑 LongAdder；需要精确读改写或 CAS 条件更新时用合适的原子变量/锁。\
与业务事务边界对齐，避免锁跨越远程调用。
死锁诊断用线程转储。

本节总结

显式锁=更多控制
原子变量提供单变量操作保证，不能自动保护多个字段或外部副作用\
简单场景不炫技

自测题

何时用 tryLock 超时？
AtomicInteger 能否保护“扣库存并记日志两步不变量”？

参考答案

避免死等、实现降级快速失败。
不能单独保证多步骤不变量，需要更高层同步/事务设计。

延伸阅读与资料来源

资料	类型	支撑内容
java.util.concurrent.locks	API	锁
Atomic variables tutorial	教程	原子变量