ReentrantLock是Java并發(fā)包(java.util.concurrent.locks)中提供的一種可重入互斥鎖，它作為synchronized關(guān)鍵字的替代方案，提供了更靈活、更強(qiáng)大的線程同步機(jī)制。本文將全面解析ReentrantLock的核心特性、實(shí)現(xiàn)原理及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

ReentrantLock概述與基本特性

ReentrantLock是Java 5引入的顯式鎖機(jī)制，它基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)框架實(shí)現(xiàn)，提供了比synchronized更豐富的功能和控制能力。與synchronized相比，ReentrantLock具有以下顯著特點(diǎn)：

• ?可重入性?：同一線程可以多次獲得同一把鎖而不會(huì)被阻塞，每次獲取鎖后必須釋放相同次數(shù)的鎖
• ?公平性選擇?：支持公平鎖和非公平鎖兩種策略，公平鎖按照線程請(qǐng)求順序分配鎖，非公平鎖允許"插隊(duì)"以提高吞吐量
• ?靈活的鎖獲取方式?：提供嘗試非阻塞獲取鎖(tryLock)、可中斷獲取鎖(lockInterruptibly)和超時(shí)獲取鎖(tryLock with timeout)等方法
• ?條件變量支持?：通過(guò)Condition接口實(shí)現(xiàn)多個(gè)等待隊(duì)列，比synchronized的wait/notify機(jī)制更精準(zhǔn)

從實(shí)現(xiàn)層級(jí)看，synchronized是JVM內(nèi)置的鎖機(jī)制，通過(guò)monitorenter/monitorexit字節(jié)碼指令實(shí)現(xiàn)；而ReentrantLock是JDK API級(jí)別的鎖，基于AQS框架構(gòu)建。

ReentrantLock核心方法與使用

基礎(chǔ)鎖操作

ReentrantLock的基本使用模式遵循"加鎖-操作-釋放鎖"的流程，必須確保在finally塊中釋放鎖：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 臨界區(qū)代碼
} finally {
    lock.unlock();
}

這種顯式鎖管理相比synchronized需要更多注意，但提供了更精細(xì)的控制。

高級(jí)鎖獲取方式

1. ?嘗試非阻塞獲取鎖(tryLock)??：

   立即返回獲取結(jié)果，不阻塞線程，適用于避免死鎖或快速失敗場(chǎng)景：

   if (lock.tryLock()) {
       try {
           // 臨界區(qū)代碼
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   } else {
       // 執(zhí)行備選方案
   }
   

2. ?超時(shí)獲取鎖?：

   在指定時(shí)間內(nèi)嘗試獲取鎖，避免無(wú)限期等待：

   if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
       try {
           // 臨界區(qū)代碼
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }
   

3. ?可中斷獲取鎖(lockInterruptibly)??：

   允許在等待鎖的過(guò)程中響應(yīng)中斷信號(hào)：

   try {
       lock.lockInterruptibly();
       try {
           // 臨界區(qū)代碼
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   } catch (InterruptedException e) {
       // 處理中斷
   }
   

鎖狀態(tài)查詢

ReentrantLock提供了一系列狀態(tài)查詢方法：

• isLocked()：查詢鎖是否被持有
• isHeldByCurrentThread()：當(dāng)前線程是否持有鎖
• getHoldCount()：當(dāng)前線程持有鎖的次數(shù)(重入次數(shù))
• getQueueLength()：等待獲取鎖的線程數(shù)

ReentrantLock實(shí)現(xiàn)原理

AQS框架基礎(chǔ)

ReentrantLock的核心實(shí)現(xiàn)依賴于AbstractQueuedSynchronizer(AQS)，這是一個(gè)用于構(gòu)建鎖和同步器的框架。AQS內(nèi)部維護(hù)了：

• volatile int state：同步狀態(tài)，對(duì)于ReentrantLock，0表示未鎖定，>0表示鎖定狀態(tài)及重入次數(shù)
• FIFO線程等待隊(duì)列：管理獲取鎖失敗的線程

公平鎖與非公平鎖實(shí)現(xiàn)

ReentrantLock通過(guò)兩種不同的Sync子類實(shí)現(xiàn)鎖策略：

1. ?非公平鎖(默認(rèn))??：

   final void lock() {
       if (compareAndSetState(0, 1))  // 直接嘗試搶占
           setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
       else
           acquire(1);
   }
   

   新請(qǐng)求的線程可以直接插隊(duì)嘗試獲取鎖，不考慮等待隊(duì)列

2. ?公平鎖?：

   protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
       if (!hasQueuedPredecessors() &&  // 檢查是否有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
           compareAndSetState(0, acquires)) {
           setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
           return true;
       }
       // 可重入邏輯...
   }
   

   嚴(yán)格按照FIFO順序分配鎖，避免饑餓現(xiàn)象

鎖的獲取與釋放流程

1. ?加鎖過(guò)程?：

   • 嘗試通過(guò)CAS修改state狀態(tài)
   • 成功則設(shè)置當(dāng)前線程為獨(dú)占線程
   • 失敗則構(gòu)造Node加入CLH隊(duì)列尾部，并阻塞線程

2. ?釋放過(guò)程?：

   • 減少持有計(jì)數(shù)(state減1)
   • 當(dāng)state為0時(shí)完全釋放鎖
   • 喚醒隊(duì)列中的下一個(gè)等待線程

ReentrantLock實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型

使用ReentrantLock配合Condition實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式：

public class BoundedBuffer {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private final Object[] items = new Object[100];
    private int putPtr, takePtr, count;

    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();  // 等待"不滿"條件
            items[putPtr] = x;
            if (++putPtr == items.length) putPtr = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();  // 通知"不空"條件
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();  // 等待"不空"條件
            Object x = items[takePtr];
            if (++takePtr == items.length) takePtr = 0;
            --count;
            notFull.signal();  // 通知"不滿"條件
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

這種實(shí)現(xiàn)比synchronized+wait/notify更高效，因?yàn)榭梢跃珳?zhǔn)喚醒生產(chǎn)者或消費(fèi)者線程。

銀行轉(zhuǎn)賬避免死鎖

使用tryLock實(shí)現(xiàn)帶超時(shí)的轉(zhuǎn)賬操作，避免死鎖：

public boolean transfer(Account from, Account to, int amount, long timeout, TimeUnit unit) {
    long stopTime = System.nanoTime() + unit.toNanos(timeout);
    while (true) {
        if (from.getLock().tryLock()) {
            try {
                if (to.getLock().tryLock()) {
                    try {
                        if (from.getBalance() < amount)
                            throw new InsufficientFundsException();
                        from.withdraw(amount);
                        to.deposit(amount);
                        return true;
                    } finally {
                        to.getLock().unlock();
                    }
                }
            } finally {
                from.getLock().unlock();
            }
        }
        if (System.nanoTime() > stopTime)
            return false;
        Thread.sleep(fixedDelay);
    }
}

通過(guò)tryLock和超時(shí)機(jī)制，有效預(yù)防了死鎖風(fēng)險(xiǎn)。

可中斷的任務(wù)執(zhí)行

使用lockInterruptibly實(shí)現(xiàn)可中斷的任務(wù)執(zhí)行：

public class InterruptibleTask {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    public void executeTask() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            // 執(zhí)行可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                // 任務(wù)邏輯...
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

這種模式適用于需要支持任務(wù)取消的場(chǎng)景。

ReentrantLock與synchronized的對(duì)比

在Java 6及以后版本中，synchronized經(jīng)過(guò)鎖升級(jí)(偏向鎖→輕量級(jí)鎖→重量級(jí)鎖)優(yōu)化，性能與ReentrantLock差距已不明顯。因此，簡(jiǎn)單場(chǎng)景推薦使用synchronized，復(fù)雜場(chǎng)景才考慮ReentrantLock。

ReentrantLock最佳實(shí)踐

1. ?始終在finally塊中釋放鎖?：

   確保鎖一定會(huì)被釋放，避免死鎖：

   lock.lock();
   try {
       // 臨界區(qū)代碼
   } finally {
       lock.unlock();
   }
   

2. ?避免嵌套鎖?：

   盡量不要在持有一個(gè)鎖的情況下嘗試獲取另一個(gè)鎖，容易導(dǎo)致死鎖。

3. ?合理選擇鎖策略?：

   • 高吞吐場(chǎng)景：非公平鎖(默認(rèn))
   • 避免饑餓場(chǎng)景：公平鎖

4. ?優(yōu)先使用tryLock?：

   特別是涉及多個(gè)鎖的操作，使用tryLock可以避免死鎖。

5. ?合理使用Condition?：

   替代Object的wait/notify，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的線程通信。

6. ?性能考量?：

   簡(jiǎn)單同步場(chǎng)景優(yōu)先選擇synchronized，復(fù)雜場(chǎng)景才使用ReentrantLock。

總結(jié)

ReentrantLock作為Java并發(fā)編程中的重要工具，通過(guò)其可重入性、公平性選擇、靈活的鎖獲取方式和條件變量支持，為開發(fā)者提供了比synchronized更強(qiáng)大的線程同步能力。理解其基于AQS的實(shí)現(xiàn)原理，掌握各種高級(jí)特性的使用方法，并遵循最佳實(shí)踐，可以幫助我們構(gòu)建更高效、更健壯的并發(fā)程序。在實(shí)際開發(fā)中，應(yīng)根據(jù)具體場(chǎng)景需求，在synchronized和ReentrantLock之間做出合理選擇。

到此這篇關(guān)于Java ReentrantLock的使用與應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java ReentrantLock內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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