Java 并发编程：ReentrantLock 锁与 AQS

Java 并发编程：ReentrantLock 锁与 AQS

在 Java 中进行并发编程时，线程安全是一个重要的考量。Java 提供了多种线程同步的手段，其中 ReentrantLock 是一种常用的锁机制，它是 java.util.concurrent 包的一部分，具有比传统的 synchronized 关键字更灵活的特性。ReentrantLock 的底层实现依赖于一个名为 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的框架。

ReentrantLock 概述

ReentrantLock 是一种可重入锁，也就是说同一个线程可以多次获得该锁而不会出现死锁的情况。与 synchronized 相比，ReentrantLock 提供了更丰富的功能，如公平性、可中断的锁获取、锁的超时机制等。

主要特性：

1. 可重入性：同一个线程可以重复获取锁。
2. 公平性：可以选择公平锁或非公平锁，公平锁会按请求顺序获取锁。
3. 可中断：可以使用 lockInterruptibly() 方法，使得在锁不可用时可以响应中断。
4. 超时锁：可以设置一个超时时间来尝试获取锁。

AQS 概述

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用于构建锁、同步器的底层框架，它提供了一种先进的队列机制来帮助管理线程的获取和释放锁。其主要工作是维护一个公平或非公平的队列，确保多个线程对共享资源的安全访问。

AQS 通过内置状态（即 state）来表示锁的状态，当 state 为 0 时表示锁是未被占用的；当 state 大于 0 时表示锁被占用。

AQS 的工作流程：

• 通过 compareAndSetState() 方法修改状态。
• 当锁被占用时，后续请求锁的线程会被放入等待队列。
• 线程释放锁时会调用 release() 方法，如果这个线程是持锁线程，AQS 将改变 state 值，并唤醒等待队列中的下一个线程。

代码示例

下面是一个使用 ReentrantLock 的简单示例，演示了基本的锁操作：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> incrementCount(1000), "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(() -> incrementCount(1000), "Thread-2");

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

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

        System.out.println("Count: " + count);
    }

    private static void incrementCount(int times) {
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            lock.lock();  // 获取锁
            try {
                count++;  // 对共享资源的操作
            } finally {
                lock.unlock();  // 释放锁
            }
        }
    }
}

解析示例

在上述示例中，我们定义了一个全局计数器 count，并通过两个线程并发地对它进行递增操作。每个线程在执行递增操作前调用 lock() 方法获取锁，确保不会发生线程安全问题。在 finally 块中释放锁，确保无论操作成功与否，锁都能被释放，避免死锁。

总结

ReentrantLock 和 AQS 提供了强大的并发控制能力，能够有效管理多线程对共享资源的访问。尽管使用锁可以解决线程安全问题，但也可能引入其他复杂性，例如死锁、饥饿等。因此，在使用这些工具时，需要谨慎设计，并合理使用锁的特性，包括选择合适的锁类型和锁策略。