锁论：深入Java并发编程之锁事

2023-09-15 22:03:22

锁的分类与特性

锁是实现线程同步的重要机制，在Java中，锁可分为悲观锁和乐观锁。

悲观锁
悲观锁总是假设最坏的情况，即认为其他线程会修改共享数据，因此它会一直持有锁，直到事务完成。悲观锁的典型实现是synchronized。

乐观锁
乐观锁则相反，它假设其他线程不会修改共享数据，因此它不会立即持有锁，而是等到需要使用共享数据时才去尝试获取锁。如果获取锁失败，则认为共享数据已被其他线程修改，需要重新获取数据并重试。乐观锁的典型实现是版本号。

Java锁的实现

在Java中，锁的实现主要有三种方式：

synchronized关键字
这是Java中最常用的锁实现方式。synchronized可以修饰方法或代码块，当线程进入synchronized代码块或方法时，它必须获得相应的锁才能执行。synchronized锁是重量级的，因为它会挂起等待锁的线程。

Lock接口
Lock接口是Java并发包中定义的锁接口，它提供了比synchronized关键字更灵活的锁操作。Lock接口可以实现公平锁和非公平锁。公平锁是指线程获取锁的顺序是按照它们请求锁的顺序决定的，而非公平锁则没有这样的限制。

原子操作
原子操作是硬件提供的原语操作，它保证在一个操作中要么所有操作都成功执行，要么所有操作都失败。Java并发包中提供了许多原子操作类，如AtomicInteger和AtomicBoolean。

锁优化技巧

在Java并发编程中，为了提高性能，可以使用以下锁优化技巧：

尽量减少锁的使用
锁会带来性能开销，因此尽量减少锁的使用。如果可能，可以使用无锁数据结构或使用其他并发机制来代替锁。

使用粒度最小的锁
锁的粒度是指锁保护的数据范围。锁的粒度越小，竞争就越小。因此，尽量使用粒度最小的锁。

避免死锁
死锁是指两个或多个线程相互等待，导致它们都无法继续执行。为了避免死锁，可以遵循以下原则：

避免循环等待。
避免嵌套锁。
使用超时机制。

锁的事例

在一个经典的Java多线程编程示例中，多个线程同时操作一个共享的银行账户，需要使用锁来确保操作的原子性。如果在取款和存款操作中不使用锁，可能会出现账户余额不一致的情况。

class BankAccount {
    private int balance;

    public void deposit(int amount) {
        balance += amount;
    }

    public void withdraw(int amount) {
        balance -= amount;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BankAccount account = new BankAccount();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                account.deposit(10);
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                account.withdraw(10);
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final balance: " + account.balance);
    }
}

在上面的示例中，如果不使用锁，就有可能出现账户余额不一致的情况。这是因为，当两个线程同时操作账户余额时，可能会出现一个线程先读取余额，然后另一个线程修改余额，再然后第一个线程才修改余额的情况。这样，最终的账户余额可能不正确。

为了解决这个问题，可以使用锁来确保操作的原子性。一种方法是使用synchronized关键字来修饰deposit()和withdraw()方法。这样，当一个线程进入这些方法时，它必须获得锁才能执行。另一个线程只能在第一个线程释放锁后才能执行这些方法。

class BankAccount {
    private int balance;

    public synchronized void deposit(int amount) {
        balance += amount;
    }

    public synchronized void withdraw(int amount) {
        balance -= amount;
    }
}