揭开 ReentrantLock 的神秘面纱：基于 AQS 的多线程同步利器
2023-09-13 18:05:56
ReentrantLock：多线程同步的基石
在多线程的世界中，同步是至关重要的。它确保了线程之间的共享资源访问既有序又安全，防止了数据竞争和死锁。Java 中的 ReentrantLock 是这种同步机制的基石，以其卓越的性能和灵活性而闻名。
什么是 ReentrantLock？
ReentrantLock 是一种可重入互斥锁，这意味着同一个线程可以多次获取同一个锁。与不可重入锁不同，它允许一个线程在已经持有该锁的情况下再次获取该锁，而不会导致死锁。
ReentrantLock 基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现，这是一个抽象队列同步器框架，为各种同步器（如锁、信号量和屏障）提供通用基础设施。AQS 使用队列和状态来协调线程并发，实现了高效、可扩展的同步机制。
公平锁与非公平锁
ReentrantLock 提供了两种实现方式：公平锁和非公平锁。公平锁按照先来先服务的原则授予锁，确保了线程公平地竞争资源。而非公平锁不考虑请求顺序，可能会导致线程饥饿。
ReentrantLock 的实现
ReentrantLock 的核心数据结构是一个 AQS 状态，它表示锁的当前状态。这个状态可以是以下几种值：
- 0：锁未被任何线程持有。
- 正数：表示持有锁的线程数量。
- 负数：表示有线程正在等待获取锁。
ReentrantLock 的主要方法有：
lock()：尝试获取锁。如果锁未被持有，则立即获取；否则，将当前线程加入等待队列并阻塞。unlock()：释放锁。如果还有其他线程等待获取锁，则将第一个等待线程唤醒。tryLock()：尝试获取锁，但不会阻塞。如果锁未被持有，则立即获取；否则，返回false。lockInterruptibly()：尝试获取锁，但可以被中断。如果锁未被持有，则立即获取；否则，将当前线程加入等待队列并阻塞，直到获取锁或被中断。
状态转换
ReentrantLock 的核心在于其状态转换机制。当线程尝试获取锁时，AQS 状态会经历一系列状态转换：
- 尝试获取锁：线程调用
lock()方法，AQS 状态变为负数，表示有线程正在等待获取锁。 - 获取锁：如果锁未被持有，AQS 状态变为正数，表示线程已获取锁。
- 释放锁：线程调用
unlock()方法，AQS 状态变为 0，表示锁未被任何线程持有。 - 等待锁：如果锁已被其他线程持有，等待线程将被阻塞，AQS 状态保持为负数。
互斥与条件队列
ReentrantLock 使用互斥锁来保护 AQS 状态，确保状态转换的原子性。它还使用条件队列来管理等待获取锁的线程。当一个线程释放锁时，它会唤醒条件队列中等待的第一个线程。
使用 ReentrantLock
使用 ReentrantLock 同步多线程代码非常简单。通常情况下，可以使用 try-with-resources 语句自动获取和释放锁：
try (ReentrantLock lock = new ReentrantLock()) {
// 获取锁并执行临界区代码
} // 自动释放锁
在某些情况下，可能需要手动获取和释放锁：
lock.lock();
try {
// 获取锁并执行临界区代码
} finally {
lock.unlock();
}
结论
ReentrantLock 是 Java 中一种强大的同步机制，它基于 AQS 实现，提供了卓越的性能和灵活性。其公平锁和非公平锁实现，以及状态转换、互斥和条件队列机制，使其能够有效地协调多线程并发，确保共享资源的可靠和高效访问。深入了解 ReentrantLock 的内部运作原理对于在多线程应用程序中有效使用同步至关重要，可以防止死锁、数据竞争和其他并发的陷阱。
常见问题解答
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ReentrantLock 和 synchronized 关键词有什么区别？
- ReentrantLock 是一个显式的同步机制，而 synchronized 关键词是隐式的。ReentrantLock 提供了更多的控制和灵活性，但 synchronized 使用起来更方便。
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什么时候应该使用公平锁？
- 公平锁应该用于需要保证线程公平访问资源的场景，例如防止线程饥饿。
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ReentrantLock 可以防止死锁吗？
- ReentrantLock 本身不能防止死锁，但它通过允许一个线程多次获取同一个锁来减少死锁的风险。
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ReentrantLock 的性能如何？
- ReentrantLock 在大多数情况下具有良好的性能，但它比 synchronized 关键词稍微慢一些。
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如何避免在使用 ReentrantLock 时出现死锁？
- 仔细设计锁的获取和释放顺序，并避免循环等待。
