浅析锁的应用与场景

news2025/4/27 2:58:54

锁的应用与场景：从单机到分布式

摘要：在多线程和分布式系统中，“锁”是避免资源竞争、保障数据一致性的核心机制。但你真的了解锁吗？什么时候该用锁？用哪种锁？本文通过通俗的比喻和代码示例，带你彻底搞懂锁的应用场景！

一、为什么需要锁？

想象一下：多人同时编辑同一份文档，如果不加控制，最终文档内容会乱成一锅粥。程序中的共享资源（如数据库字段、文件、内存变量）同样面临这个问题——锁的作用就是让多个线程/进程“排队”访问资源。

常见问题场景：

订单重复处理：用户疯狂点击提交订单，导致重复扣款。
超卖问题：秒杀活动中库存被减到负数。
数据覆盖：两个线程同时修改用户余额，后者覆盖前者结果。

二、单机环境下的锁

1. 乐观锁 vs 悲观锁

悲观锁：假设一定会发生冲突，先加锁再操作。
- 应用场景：冲突频繁、临界区代码执行时间长。
- 实现方式：
  - 数据库：SELECT ... FOR UPDATE
  - Java：synchronized、ReentrantLock

维度	synchronized	ReentrantLock
锁管理	JVM 自动管理，无需手动释放	需手动获取和释放，易忘记导致死锁
灵活性	功能简单，仅支持非公平锁	支持公平锁、超时、中断、多条件变量
性能	JVM 优化后性能接近（低竞争场景更优）	高并发场景更灵活（如 `tryLock` 减少竞争）
调试支持	锁信息不易获取（如等待队列长度）	提供 `isLocked()`, `getQueueLength()` 等方法
适用场景	简单同步需求（如单方法内的线程安全）	复杂同步逻辑（如多条件协调、精细控制）

乐观锁：假设冲突很少，先操作再检查是否冲突。
- 应用场景：读多写少、冲突概率低。
- 实现方式：
  - 数据库：版本号（Version字段）+ CAS更新
  - Java：AtomicInteger、StampedLock

代码示例：数据库乐观锁

-- 1. 查询时获取版本号
SELECT stock, version FROM product WHERE id = 1;

-- 2. 更新时校验版本号
UPDATE product SET stock = stock - 1, version = version + 1 
WHERE id = 1 AND version = 1; -- 如果version被修改过，更新失败

2. 读写锁（ReadWriteLock）

核心思想：读操作不互斥，写操作互斥。
应用场景：读多写少，如缓存系统。
Java实现：ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

// 读操作
rwLock.readLock().lock();
try {
    // 读取数据（允许多个线程同时读）
} finally {
    rwLock.readLock().unlock();
}

// 写操作
rwLock.writeLock().lock();
try {
    // 修改数据（独占锁）
} finally {
    rwLock.writeLock().unlock();
}

三、分布式锁

当服务部署在多台机器上时（即使在同一台物理机上的多个容器/Pod），单机锁失效，必须使用分布式锁协调跨进程的资源访问。

1. 常见实现方案

方案	核心原理	优点	缺点
Redis锁	SETNX + 过期时间 + Lua脚本删除	性能高，实现简单	存在锁过期提前释放风险
ZooKeeper	创建临时顺序节点，监听前序节点删除	可靠性高，自动释放锁	性能较低，需要维护ZK集群
数据库锁	基于唯一索引或行级锁	无需额外组件	性能差，高并发易成瓶颈

高并发且允许偶发锁失效：Redis + Redisson。
强一致性需求：ZooKeeper 或 Etcd。
简单场景：数据库（不推荐生产环境高频使用）

2. Redis分布式锁示例（Redisson实现）

// 1. 获取锁对象
RLock lock = redissonClient.getLock("orderLock");

// 2. 尝试加锁（等待10秒，锁自动释放时间30秒）
boolean isLocked = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
if (isLocked) {
    try {
        // 处理业务逻辑
        processOrder();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}