JUC的ReentrantLock怎么使用

目录

1. 引言
2. ReentrantLock简介
3. ReentrantLock的基本使用
4. ReentrantLock的高级特性
5. ReentrantLock与synchronized的比较
6. ReentrantLock的源码分析
7. ReentrantLock的性能优化
8. ReentrantLock的常见问题与解决方案
9. 总结

引言

在多线程编程中，线程安全是一个非常重要的问题。Java提供了多种机制来保证线程安全，其中synchronized关键字是最常用的方式之一。然而，synchronized关键字在某些场景下可能不够灵活，因此Java并发包（JUC）提供了ReentrantLock类，作为synchronized的替代方案。本文将详细介绍ReentrantLock的使用方法、高级特性、与synchronized的比较、源码分析、性能优化以及常见问题与解决方案。

ReentrantLock简介

ReentrantLock是Java并发包中的一个类，它实现了Lock接口，提供了与synchronized关键字类似的功能，但更加灵活。ReentrantLock是可重入锁，意味着同一个线程可以多次获取同一个锁，而不会导致死锁。此外，ReentrantLock还提供了公平锁和非公平锁的选择，以及可中断的锁获取操作。

ReentrantLock的基本使用

1. 创建ReentrantLock对象

ReentrantLock的构造函数有两个重载版本：

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

默认情况下，ReentrantLock是非公平锁。如果需要公平锁，可以在构造函数中传入true。

2. 获取锁

ReentrantLock提供了lock()方法来获取锁。如果锁已经被其他线程持有，当前线程将被阻塞，直到锁被释放。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock();
}

3. 释放锁

ReentrantLock提供了unlock()方法来释放锁。释放锁的操作通常放在finally块中，以确保锁一定会被释放，避免死锁。

4. 可中断的锁获取

ReentrantLock提供了lockInterruptibly()方法，允许线程在等待锁的过程中响应中断。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
    lock.lockInterruptibly();
    // 临界区代码
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断
} finally {
    if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
        lock.unlock();
    }
}

5. 尝试获取锁

ReentrantLock提供了tryLock()方法，允许线程尝试获取锁，如果锁不可用，线程不会阻塞，而是立即返回false。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
if (lock.tryLock()) {
    try {
        // 临界区代码
    } finally {
        lock.unlock();
    }
} else {
    // 锁不可用，执行其他操作
}

6. 带超时的尝试获取锁

ReentrantLock还提供了tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，允许线程在指定的时间内尝试获取锁，如果超时仍未获取到锁，则返回false。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
    if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
        try {
            // 临界区代码
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } else {
        // 超时未获取到锁，执行其他操作
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断
}

ReentrantLock的高级特性

1. 公平锁与非公平锁

ReentrantLock支持公平锁和非公平锁。公平锁会按照线程请求锁的顺序来分配锁，而非公平锁则允许线程“插队”，即新请求锁的线程可能会立即获取到锁，而不需要等待。

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(); // 非公平锁

2. 条件变量

ReentrantLock提供了newCondition()方法，用于创建Condition对象。Condition对象可以用于实现线程间的等待/通知机制，类似于Object的wait()和notify()方法。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

lock.lock();
try {
    while (!conditionMet) {
        condition.await();
    }
    // 执行操作
} finally {
    lock.unlock();
}

// 另一个线程
lock.lock();
try {
    conditionMet = true;
    condition.signal();
} finally {
    lock.unlock();
}

3. 可重入性

ReentrantLock是可重入锁，意味着同一个线程可以多次获取同一个锁，而不会导致死锁。每次获取锁后，必须释放相同次数的锁。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock();
    lock.unlock();
}

4. 锁的状态查询

ReentrantLock提供了多个方法来查询锁的状态，例如isLocked()、isHeldByCurrentThread()、getHoldCount()等。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    System.out.println("锁是否被当前线程持有: " + lock.isHeldByCurrentThread());
    System.out.println("锁的持有计数: " + lock.getHoldCount());
} finally {
    lock.unlock();
}

ReentrantLock与synchronized的比较

1. 灵活性

ReentrantLock比synchronized更加灵活。ReentrantLock提供了可中断的锁获取、带超时的锁获取、公平锁与非公平锁的选择等特性，而synchronized则不具备这些特性。

2. 性能

在低竞争的情况下，synchronized的性能通常优于ReentrantLock，因为synchronized是JVM内置的机制，而ReentrantLock是基于Java代码实现的。然而，在高竞争的情况下，ReentrantLock的性能可能会优于synchronized，因为ReentrantLock提供了更多的优化选项。

3. 可读性

synchronized的语法更加简洁，代码可读性更高。而ReentrantLock需要显式地调用lock()和unlock()方法，代码相对复杂。

4. 功能

ReentrantLock提供了更多的功能，例如条件变量、可中断的锁获取、带超时的锁获取等，而synchronized则不具备这些功能。

ReentrantLock的源码分析

1. 锁的实现

ReentrantLock的内部实现依赖于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）类。AQS是一个用于构建锁和同步器的框架，ReentrantLock通过继承AQS来实现锁的功能。

2. 公平锁与非公平锁的实现

ReentrantLock的公平锁和非公平锁分别由FairSync和NonfairSync两个内部类实现。公平锁会按照线程请求锁的顺序来分配锁，而非公平锁则允许线程“插队”。

3. 可重入性的实现

ReentrantLock通过维护一个持有锁的线程和锁的持有计数来实现可重入性。每次获取锁时，持有计数加1；每次释放锁时，持有计数减1。当持有计数为0时，锁被释放。

4. 条件变量的实现

ReentrantLock的条件变量由ConditionObject类实现，ConditionObject是AQS的内部类。ConditionObject通过维护一个等待队列来实现线程的等待/通知机制。

ReentrantLock的性能优化

1. 减少锁的持有时间

尽量减少锁的持有时间，可以降低锁的竞争，提高系统的并发性能。可以通过将临界区代码最小化来实现这一点。

2. 使用读写锁

在某些场景下，可以使用ReentrantReadWriteLock来代替ReentrantLock。ReentrantReadWriteLock允许多个读线程同时访问共享资源，而写线程则需要独占锁。这样可以提高读操作的并发性能。

3. 使用分段锁

在某些场景下，可以使用分段锁来提高并发性能。分段锁将共享资源分成多个段，每个段使用一个独立的锁。这样可以减少锁的竞争，提高系统的并发性能。

4. 使用无锁数据结构

在某些场景下，可以使用无锁数据结构（如ConcurrentHashMap、AtomicInteger等）来代替锁。无锁数据结构通过CAS操作来实现线程安全，避免了锁的开销。

ReentrantLock的常见问题与解决方案

1. 死锁

死锁是指两个或多个线程互相持有对方所需的锁，导致所有线程都无法继续执行。为了避免死锁，可以按照固定的顺序获取锁，或者使用tryLock()方法来避免长时间等待。

2. 锁饥饿

锁饥饿是指某些线程长时间无法获取到锁，导致无法执行。为了避免锁饥饿，可以使用公平锁，或者减少锁的持有时间。

3. 锁的滥用

锁的滥用会导致系统的并发性能下降。为了避免锁的滥用，可以尽量减少锁的持有时间，或者使用无锁数据结构。

4. 锁的泄漏

锁的泄漏是指锁没有被正确释放，导致其他线程无法获取到锁。为了避免锁的泄漏，可以将锁的释放操作放在finally块中，确保锁一定会被释放。

总结

ReentrantLock是Java并发包中一个非常强大的工具，它提供了比synchronized更加灵活的锁机制。通过合理使用ReentrantLock，可以提高系统的并发性能，避免死锁、锁饥饿等问题。然而，ReentrantLock的使用也相对复杂，需要开发者对其内部机制有深入的理解。希望本文能够帮助读者更好地理解和使用ReentrantLock。