精通Java并发：ReentrantLock原理、应用与优秀实践
一、ReentrantLock简介
1.1 什么是ReentrantLock
ReentrantLock是Java并发包（java.util.concurrent.locks）中的一个重要类，用于实现可重入的互斥锁。它提供了一种替代synchronized关键字的同步机制，同时提供了更高级的同步功能，如可中断的同步操作、带超时的同步操作以及公平锁策略。
1.2 ReentrantLock与synchronized的区别
ReentrantLock和synchronized都可以实现线程同步，但ReentrantLock具有更多的优势：
·ReentrantLock提供了更灵活的锁控制，例如可中断的锁定操作和带超时的锁定操作。
· ReentrantLock支持公平锁策略，可选择按照线程等待的顺序分配锁，而synchronized默认为非公平锁。
· ReentrantLock提供了更细粒度的锁控制，可以获取锁的持有数量、查询是否有等待线程等。
· ReentrantLock可以显式地加锁和解锁，而synchronized是隐式地加锁和解锁。
然而，ReentrantLock的手动解锁风险需要特别关注，开发者需要确保在使用ReentrantLock时，始终在finally块中释放锁。
1.3 ReentrantLock的可重入性和公平性策略
ReentrantLock具有可重入性，即一个线程在已经持有锁的情况下，可以再次获得同一个锁，而不会产生死锁。可重入性降低了死锁的发生概率，简化了多线程同步的实现。
ReentrantLock同时支持公平锁和非公平锁策略。公平锁策略保证了等待时间最长的线程优先获取锁，从而减少了线程饥饿的可能性。然而，公平锁可能导致性能损失，因此默认情况下，ReentrantLock使用非公平锁策略。在实际应用中，应根据具体场景选择合适的锁策略。
二、ReentrantLock的核心方法
2.1 lock()和unlock()
lock()方法用于获取锁。如果锁可用，则当前线程将获得锁。如果锁不可用，则当前线程将进入等待队列，直到锁变为可用。当线程成功获取锁之后，需要在finally块中调用unlock()方法释放锁，以确保其他线程可以获取锁。
2.2 tryLock()
tryLock()方法尝试获取锁，但不会导致线程进入等待队列。如果锁可用，则立即获取锁并返回true。如果锁不可用，则立即返回false，而不会等待锁释放。此方法可用于避免线程长时间等待锁。
2.3 lockInterruptibly()
lockInterruptibly()方法与lock()方法类似，但它能够响应中断。如果线程在等待获取锁时被中断，该方法将抛出InterruptedException。使用此方法可以实现可中断的同步操作。
2.4 getHoldCount()
getHoldCount()方法返回当前线程对此锁的持有计数。这对于可重入锁的调试和诊断可能非常有用。
2.5 hasQueuedThreads()和getQueueLength()
hasQueuedThreads()方法检查是否有线程正在等待获取此锁。getQueueLength()方法返回正在等待获取此锁的线程数。这两个方法可以用于监控和诊断锁的使用情况。
2.6 isHeldByCurrentThread()
isHeldByCurrentThread()方法检查当前线程是否持有此锁。这对于调试和验证锁状态非常有用。
注意：这些方法在实际使用时需与try-catch-finally结构配合使用，确保锁能够正确释放。
三、ReentrantLock的使用场景
3.1 替代synchronized实现同步
ReentrantLock可用于替代synchronized关键字实现线程同步。与synchronized相比，ReentrantLock提供了更灵活的锁定策略和更细粒度的锁控制。
3.2 实现可中断的同步操作
ReentrantLock的lockInterruptibly()方法允许线程在等待锁时响应中断。这可以帮助避免死锁或提前终止不再需要的操作。
3.3 实现带超时的同步操作
ReentrantLock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法允许线程尝试在指定的时间内获取锁。如果超过指定时间仍未获取到锁，则方法返回false。这可以帮助避免线程长时间等待锁。
3.4 实现公平锁的场景
ReentrantLock支持公平锁策略，可以按照线程等待的顺序分配锁。在高并发场景下，公平锁有助于减少线程饥饿的可能性。使用ReentrantLock构造函数的参数fair设置为true时，将使用公平锁策略。
四、ReentrantLock的实战应用
以下示例展示了如何使用ReentrantLock实现线程同步的一些实战应用。
4.1 生产者-消费者模型
在生产者-消费者模型中，ReentrantLock可以确保生产者和消费者之间的同步。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProducerConsumerExample {
private final Queue<Integer> buffer = new LinkedList<>();
private final int capacity = 10;
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
public void produce() {
try {
lock.lock();
while (buffer.size() == capacity) {
notFull.await();
}
buffer.add(1);
System.out.println("Produced: " + 1);
notEmpty.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void consume() {
try {
lock.lock();
while (buffer.isEmpty()) {
notEmpty.await();
}
int value = buffer.poll();
System.out.println("Consumed: " + value);
notFull.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
4.2 实现可中断的同步操作
以下示例展示了如何使用ReentrantLock实现可中断的同步操作。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class InterruptibleSynchronizationExample {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void doInterruptibleWork() {
try {
lock.lockInterruptibly();
try {
// Perform some work
} finally {
lock.unlock();
}
} catch (InterruptedException e) {
// Handle the interruption
}
}
}
4.3 实现带超时的同步操作
以下示例展示了如何使用ReentrantLock实现带超时的同步操作。
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TimeoutSynchronizationExample {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void doTimeoutWork() {
try {
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
// Perform some work
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
System.out.println("Failed to acquire the lock within the timeout");
}
} catch (InterruptedException e) {
// Handle the interruption
}
}
}
这些实战应用展示了ReentrantLock如何在不同场景下实现线程同步，提高代码的灵活性和可维护性。
五、ReentrantLock的局限性及替代方案
尽管ReentrantLock提供了相对于synchronized关键字更灵活的线程同步方法，但它仍具有一些局限性：
5.1 代码复杂性
使用ReentrantLock时，需要手动调用lock()和unlock()方法，这可能增加了代码的复杂性。此外，如果开发者在编写代码时遗漏了unlock()方法，可能导致其他线程无法获取锁，进而引发死锁。
5.2 性能开销
ReentrantLock实现了许多高级特性，如公平性和可中断性。这些特性的实现可能会导致额外的性能开销。在某些情况下，synchronized关键字可能提供更好的性能。
针对ReentrantLock的局限性，以下是一些替代方案：
5.3 Java并发包中的其他同步工具
Java并发包中还提供了其他同步工具，如Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser，可以根据不同场景选择合适的同步工具。
5.4 使用Java并发包中的锁接口
在某些情况下，可以使用Java并发包中的锁接口（
java.util.concurrent.locks.Lock），而不是ReentrantLock。这使得在不同实现之间更容易切换，以便根据需要进行优化。
5.5 使用StampedLock
Java 8引入了一种新的锁机制：StampedLock。与ReentrantLock相比，StampedLock通常具有更好的性能，特别是在高并发场景下。然而，使用StampedLock可能会增加代码的复杂性，因为它需要在读写操作之间进行协调。
根据具体场景和需求，可以在ReentrantLock、synchronized关键字以及其他Java并发工具之间进行选择。考虑到性能、灵活性和代码复杂性等因素，选择合适的同步工具将有助于提高程序的可维护性和性能。
六、ReentrantLock在实际项目中的最佳实践
在实际项目中使用ReentrantLock时，遵循以下最佳实践可以提高代码的可读性、可维护性和性能：
6.1 使用try-finally代码块确保锁被释放
为避免因异常或其他原因导致锁未释放，使用try-finally代码块确保在代码执行完成后总是调用unlock()方法。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 临界区代码
} finally {
lock.unlock();
}
6.2 优先考虑synchronized关键字
如果不需要ReentrantLock提供的高级特性（如可中断锁、带超时的锁定等），优先考虑使用synchronized关键字。这可以简化代码，降低出错概率，并可能提高性能。
6.3 避免死锁
在使用ReentrantLock时，避免死锁是至关重要的。为防止死锁，确保线程始终以固定的顺序获取锁。此外，使用带超时的锁定方法（如tryLock()）可以防止线程无限期地等待锁。
6.4 使用Condition对象进行线程间协作
当需要在线程间实现更复杂的同步时，可以使用ReentrantLock关联的Condition对象。Condition对象提供了类似于Object.wait()和Object.notify()的方法，允许线程在特定条件下等待和唤醒。这有助于避免不必要的轮询和资源浪费。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 等待特定条件
lock.lock();
try {
while (!conditionSatisfied()) {
condition.await();
}
// 执行操作
} catch (InterruptedException e) {
// 处理中断异常
} finally {
lock.unlock();
}
// 唤醒等待条件的线程
lock.lock();
try {
// 更改状态
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
6.5 使用公平锁避免线程饥饿
在创建ReentrantLock实例时，可以选择公平锁策略。公平锁确保等待时间最长的线程优先获得锁。虽然公平锁可能导致性能下降，但它可以避免线程饥饿。根据具体需求和性能要求，可以选择是否使用公平锁。
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(); // 默认非公平锁
6.6 选择合适的锁粒度
在使用ReentrantLock时，应找到合适的锁粒度。锁定整个对象可能会导致性能下降和线程阻塞。如果可能，尝试锁定较小的临界区，以提高并发性能。
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- 更新时间: 2024-04-15
