并发编程——重入锁ReentrantLock

目录

显式地同步功能——锁

synchronized和ReentrantLock的区别

ReentrantLock实现原理

ReentrantLock公平锁和非公平锁的差异

ReentrantLock时序图

独占式同步状态获取流程

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显式地同步功能——锁

Java SE 5之后，并发包中新增 了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式地获取和释放锁。

一个简单的Lock使用方式的示例：

// ReentrantLock实现简单的独占锁
public class LockDemo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count = 0;
    public void doSth () {
        lock.lock();
        try {
            Thread.sleep(1);
            count++;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final LockDemo lockDemo = new LockDemo();
        
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(()->{lockDemo.doSth();}).start();
        }
​
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("result:"+lockDemo.count);
    }
}

ReentrantLock是独占锁，就是能够防止多个线程同时访问共享资源的锁。当然，也有共享锁，比如ReadWriteLock，这种读写锁的实现允许多个线程同时读取数据，但只允许一个线程写入数据。这在读多写少的场景中可以提高性能和吞吐量。

public class RwLockDemo {
    private ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private Map cacheMap = new HashMap<>();
    private Lock read = readWriteLock.readLock();
    private Lock write = readWriteLock.writeLock();
​
   public Object get(String key) {
       System.out.println("start read ...");
       read.lock();
       try {
           return cacheMap.get(key);
       } finally {
           read.unlock();
       }
   }
​
   public Object put(String key,Integer value){
       System.out.println("start write ...");
       write.lock();
       try {
           return cacheMap.put(key, value);
       } finally {
           write.unlock();
       }
   }
​
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       final RwLockDemo rwLockDemo = new RwLockDemo();
       rwLockDemo.put("a",1);
       rwLockDemo.put("b",2);
       System.out.println(rwLockDemo.cacheMap.get("a"));
   }
}

synchronized和ReentrantLock的区别

• 锁的实现：synchronized是java语言的关键字，基于JVM实现。ReentrantLock基于JDK的API实现的(lock()和unlock()配合finally语句块实现的。)

• 性能：JDK1.6以前，synchronized重量级锁性能略差；1.6以后加入自适应自旋、锁消除等，两者性能就差不多了。

• 功能特点：ReentrantLock提供了些高级功能，如等待可中断、可实现公平锁、可实现选择性通知。

ReentrantLock实现原理

ReentrantLock的一些关键实现原理：

1. CAS操作：ReentrantLock的实现依赖于CAS（Compare-And-Swap）操作，这是一种原子操作，用于在多线程环境中修改共享变量。CAS操作允许一个线程比较内存中的值与预期值，如果相等，则更新为新的值。

2. 锁状态：ReentrantLock内部维护了一个锁状态（lock state），这个状态可以告诉锁当前是被哪个线程占用的，以及该线程占用了几次锁。这允许同一个线程多次获取同一把锁而不会发生死锁。当一个线程首次获取锁时，锁状态设置为1，每次再次获取锁时，状态递增。

3. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：ReentrantLock的实现基于AQS，这是一个用于构建锁和其他同步器的抽象框架。AQS提供了队列、状态管理、等待线程管理等功能。ReentrantLock通过扩展AQS并根据自身需求实现其中的一些方法来实现锁的功能。

4. 公平性和非公平性：ReentrantLock支持公平性和非公平性。在公平模式下，等待线程按照FIFO顺序获取锁。在非公平模式下，等待线程有可能插队，当锁释放时，可能不是等待时间最长的线程获得锁。这个选择可以通过ReentrantLock的构造函数来指定。

5. 可中断性：ReentrantLock允许等待锁的线程响应中断信号，通过使用lockInterruptibly()方法可以实现这一点。

6. 条件变量：ReentrantLock还提供了条件变量（Condition），允许线程在某些条件下等待和唤醒。条件变量是ReentrantLock的一部分，可以通过newCondition()方法创建。

ReentrantLock公平锁和非公平锁的差异

ReentrantLock可以用于实现公平锁和非公平锁，它们的主要区别在于线程获取锁的顺序和策略。

1. 公平锁（Fair Lock）：

   • 公平锁确保线程按照请求锁的顺序获得锁资源，即按照FIFO（先进先出）的顺序分配锁。

   • 当一个线程请求锁但锁已经被其他线程占用时，该线程会进入等待队列，并按照请求锁的顺序排队等待。

   • 当锁释放时，等待队列中的线程中最早请求锁的线程将获得锁，以确保公平性。

   • 优点：公平锁能够避免线程饥饿，即某个线程无限期地等待获取锁的情况。每个线程最终都有机会获取锁。

   • 缺点：因为需要维护等待队列和按照顺序分配锁，公平锁的性能可能相对较差，特别是在高并发情况下。

   • 使用方式：通过在创建 ReentrantLock 实例时传递 true 参数来创建公平锁，例如：ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

2. 非公平锁（Non-Fair Lock）：

   • 非公平锁不考虑线程请求锁的顺序，当锁可用时，任何等待的线程都有机会立即获得锁。

   • 当锁被释放时，如果有等待的线程，JVM会从等待线程中随机选择一个线程来获得锁。

   • 优点：非公平锁的性能通常比公平锁更好，因为它减少了维护等待队列和按照顺序分配锁的开销。

   • 缺点：非公平锁可能导致某些线程一直无法获取锁，因为它们不会按照请求锁的顺序获得锁，可能会导致线程饥饿的情况。

   • 使用方式：默认情况下，ReentrantLock 创建的是非公平锁，可以不传递参数或传递 false 来明确使用非公平锁。

选择公平锁还是非公平锁取决于应用的需求和性能考虑。如果你需要确保线程以公平的方式获得锁资源，可以使用公平锁。如果性能更为重要，而且你不担心某些线程可能被饿死，那么非公平锁可能是更好的选择。一般来说，非公平锁在高并发场景下表现更好，但可能会导致某些线程长时间等待。

ReentrantLock时序图

• 入口：ReentrantLock.java中的lock()方法调用了继承自AbstractQueuedSynchronizer的抽象静态类Sync的lock()方法，默认情况下创建的是非公平锁。（部分源码）

  private final Sync sync;
  abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
  public void lock() {
          sync.lock();
      }

• 获取同步状态：非公平锁直接CAS尝试抢占，如果锁没有被抢占，直接抢占成功；大部分时候是抢占失败的，调用acquire()独占式获取同步状态会调用继承自AQS进行重写的acquire()判断tryAcquire()和addWaiter。

  public final void acquire(int arg) 
      if (!tryAcquire(arg) &&
          acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }

• 判断结果，同步失败，线程进入同步队列挂起状态等待

独占式同步状态获取流程

就是acquire(int arg)方法调用流程。如下所示：