Java并发基石ReentrantLock：深入解读其原理与实现

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在Java的并发编程库中，ReentrantLock是一种非常重要的同步工具，它提供了一种比内置synchronized关键字更加灵活和可定制的锁定机制。在本文中，我们将详细讨论ReentrantLock的工作原理、特性以及如何使用它来解决多线程并发问题。

- 一、ReentrantLock概述
- 二、ReentrantLock的核心特性
- 三、ReentrantLock与synchronized
- - 3.1 相同点
  - 3.2 不同点
- 四、ReentrantLock的使
- 五、ReentrantLock的实现原理
- - 5.1 实现原理概述
  - 5.2 源码原理分析
- 六、使用ReentrantLock的注意事项
- 结语

一、ReentrantLock概述

ReentrantLock，也被称为“可重入锁”，是一个同步工具类，在java.util.concurrent.locks包下。这种锁的一个重要特点是，它允许一个线程多次获取同一个锁而不会产生死锁。这与synchronized关键字提供的锁定机制非常相似，但ReentrantLock提供了更高的扩展性。

二、ReentrantLock的核心特性

可重入性：ReentrantLock的一个主要特点是它的名字所表示的含义——“可重入”。简单来说，如果一个线程已经持有了某个锁，那么它可以再次调用lock()方法而不会被阻塞。这在某些需要递归锁定的场景中非常有用。锁的持有计数会在每次成功调用lock()方法时递增，并在每次unlock()方法被调用时递减。
公平性：与内置的synchronized关键字不同，ReentrantLock提供了一个公平锁的选项。公平锁会按照线程请求锁的顺序来分配锁，而不是像非公平锁那样允许线程抢占已经等待的线程的锁。公平锁可以减少“饥饿”的情况，但也可能降低一些性能。
可中断性：ReentrantLock的获取锁操作（lockInterruptibly()方法）可以被中断。这提供了另一个相对于synchronized关键字的优势，因为synchronized不支持响应中断。
条件变量：ReentrantLock类中还包含一个Condition接口的实现，该接口允许线程在某些条件下等待或唤醒。这提供了一种比使用wait()和notify()更灵活和更安全的线程通信方式。

三、ReentrantLock与synchronized

ReentrantLock与synchronized都是Java中用于多线程同步的机制，但它们在使用方式、功能和灵活性上有一些不同。

3.1 相同点

互斥性：ReentrantLock和synchronized都保证了一个时间点只有一个线程可以执行某个代码块，即它们都是互斥锁。
可重入性：两者都支持可重入性，意味着同一个线程可以多次获取同一个锁，不会产生死锁。

3.2 不同点

来源：synchronized是Java语言内建的关键字，而ReentrantLock是Java并发库java.util.concurrent.locks包中的一个类。
等待可中断性：ReentrantLock提供了一种能够响应中断的获取锁的方式（lockInterruptibly()），而synchronized是不可中断的，一旦线程没有获取到锁，就会进入阻塞状态，直到获取锁。
锁释放：ReentrantLock必须由手动释放锁（unlock()），所以使用起来需要特别小心，避免忘记释放锁导致死锁；而synchronized则是由JVM自动释放锁，当线程执行完同步代码块或方法后，JVM会自动释放线程持有的锁。
锁的申请：ReentrantLock提供了tryLock()方法，可以尝试获取锁，如果获取不到就返回false，不会一直等待；而synchronized没有这种机制，一旦获取不到锁，就会一直等待。
公平锁与非公平锁：ReentrantLock可以在构造函数中指定是公平锁还是非公平锁，而synchronized是非公平的，不保证等待时间最长的线程先获得锁。
绑定条件Condition：ReentrantLock可以与多个Condition对象绑定，以实现更细粒度的锁控制和线程间的协作；而synchronized没有这个功能，只能与整个对象绑定。

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总的来说，ReentrantLock提供了比synchronized更灵活、更强大的锁机制，但使用起来也更复杂，需要更谨慎地处理锁的获取和释放。synchronized虽然功能相对简单，但在很多情况下已经足够使用，并且由于是内建关键字，使用起来也更方便。

四、ReentrantLock的使

用
下面代码模拟了一个账户转账的场景，展示了ReentrantLock如何保证多线程下的数据安全性。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Account {
    // 账户余额
    private int balance;
    // 锁对象
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public Account(int balance) {
        this.balance = balance;
    }

    // 存钱
    public void deposit(int amount) {
        lock.lock();  // 获取锁
        try {
            balance += amount;
            System.out.println("存入金额: " + amount + "，当前余额: " + balance);
        } finally {
            lock.unlock();  // 释放锁
        }
    }

    // 取钱
    public void withdraw(int amount) {
        lock.lock();  // 获取锁
        try {
            if (balance >= amount) {
                balance -= amount;
                System.out.println("取出金额: " + amount + "，当前余额: " + balance);
            } else {
                System.out.println("余额不足，取款失败！");
            }
        } finally {
            lock.unlock();  // 释放锁
        }
    }

    // 获取账户余额
    public int getBalance() {
        return balance;
    }

    // 主函数，模拟多线程下的转账操作
    public static void main(String[] args) {
        final Account account = new Account(1000);

        // 启动一个线程进行存钱操作
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                account.deposit(100);
                try {
                    Thread.sleep(100);  // 模拟延时
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 启动一个线程进行取钱操作
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                account.withdraw(50);
                try {
                    Thread.sleep(100);  // 模拟延时
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

Account类表示一个账户，包含了存钱（deposit）和取钱（withdraw）两个操作。为了保证账户余额在多线程环境下的数据安全性，我们在这两个方法中使用了ReentrantLock来确保同时只有一个线程能够修改账户余额。

deposit方法中，先获取锁，然后进行余额的增加操作，最后释放锁。同样地，在withdraw方法中也是先获取锁，然后判断余额是否足够，足够则进行扣款操作，否则输出提示信息，最后释放锁。

在main方法中，创建了一个账户对象，并启动了两个线程，一个进行多次存钱操作，另一个进行多次取钱操作。由于我们使用了ReentrantLock来保证同步，因此即使在多线程环境下，账户的余额也不会出现不一致的情况。

五、ReentrantLock的实现原理

5.1 实现原理概述

ReentrantLock的实现依赖于内部的Sync类，这个类是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的一个实现。AQS是Java并发库中许多同步工具（包括Semaphore、CountDownLatch和CyclicBarrier等）的核心。

AQS使用一个int类型的变量来表示同步状态，ReentrantLock用它来表示锁的持有计数和持有线程的信息。当计数为0时，表示锁未被任何线程持有。当一个线程首次成功获取锁时，JVM会记录这个锁的持有线程，并将计数器设置为1。如果同一个线程再次请求这个锁，它将能够再次获得这个锁，并且计数器会递增。当线程释放锁时（通过调用unlock()方法），计数器会递减。如果计数器递减为0，则表示锁已经完全释放，其他等待的线程有机会获取它。

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此外，AQS还维护了一个队列，用于管理那些等待锁的线程。这个队列遵循FIFO原则，但也可以通过设置为公平锁来严格按照线程请求锁的顺序来排队。

5.2 源码原理分析

首先，ReentrantLock的核心实现是基于AbstractQueuedSynchronizer（AQS），它是一个用于构建锁和同步器的框架。ReentrantLock内部有一个静态内部类Sync，它继承了AQS并实现了所需的同步状态管理。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // 默认使用非公平锁
    private final Sync nonfairSync;
    // 公平锁
    private final Sync fairSync;
    // 抽象队列同步器，实际是nonfairSync或fairSync
    private final Sync sync;

    // 构造函数，默认非公平锁
    public ReentrantLock() {
        sync = nonfairSync = new NonfairSync();
    }

    // 构造函数，可指定公平性
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

    // 实现Lock接口的lock方法
    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    // ... 其他方法，如tryLock, unlock等

    // 抽象队列同步器的实现
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // ...

        // 是否处于占用状态
        final boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        // 尝试获取锁
        final boolean tryAcquire(int acquires) {
            // ... 省略具体实现
        }

        // 释放锁
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            // ... 省略具体实现
        }

        // ... 其他方法
    }

    // 非公平锁实现
    static final class NonfairSync extends Sync {
        // ...

        // 锁获取
        final void lock() {
            // ... 省略具体实现
        }

        // ... 其他方法
    }

    // 公平锁实现
    static final class FairSync extends Sync {
        // ...

        // 锁获取，考虑公平性
        final void lock() {
            // ... 省略具体实现
        }

        // ... 其他方法
    }
}

上面的代码只是ReentrantLock的一个简版框架，通过这个框架，我们可以理解ReentrantLock的基本结构和关键组成部分：

同步状态管理：ReentrantLock使用AQS的同步状态来管理锁的持有情况。当状态为0时，表示锁未被任何线程持有；当状态为1时，表示锁被某个线程持有。对于可重入锁，每次重入都会增加状态值，每次释放都会减少状态值。但这里简化的表示只用状态值1来表示锁被持有，实际实现中会有更复杂的状态管理。
锁的获取：在NonfairSync和FairSync中，lock()方法实现了锁的获取逻辑。非公平锁在尝试获取锁时不会考虑队列中的等待线程，而公平锁则会严格按照FIFO原则来处理等待线程。这些方法最终会调用AQS的acquire()方法，该方法会处理同步状态的变更、线程的阻塞和唤醒等。
锁的释放：锁的释放通过unlock()方法实现，最终会调用AQS的release()方法。这个方法会负责减少同步状态、唤醒等待线程等。在释放锁之前，必须确保当前线程是锁的持有者。
条件变量：ReentrantLock还提供了newCondition()方法，用于创建条件变量。这些条件变量可以用于实现更复杂的线程同步和通信逻辑。条件变量的实现也是基于AQS的。

ReentrantLock的实现主要依赖于AQS框架，通过扩展AQS并实现特定的同步状态管理逻辑来实现可重入锁的功能。它提供了比synchronized关键字更灵活和可定制的同步机制，包括公平性选择、可中断的锁获取操作以及条件变量等。在使用ReentrantLock时，需要注意正确管理锁的获取和释放，以避免死锁和性能问题。

六、使用ReentrantLock的注意事项

始终在finally块中释放锁：为了确保锁能够在所有情况下都被正确释放（包括在可能抛出异常的代码中），你应该总是在finally块中调用unlock()方法。
避免锁泄露：锁泄露是指由于某些原因（如忘记释放锁或持有锁的线程意外死亡），导致锁无法被其他线程获取。这可能导致应用程序挂起或无法正常工作。使用try-finally语句可以帮助避免这种情况。
小心使用条件变量：虽然Condition接口提供了一种灵活的线程通信方式，但如果不当使用，也可能导致死锁或活锁等问题。你应该确保在使用条件变量时始终遵循正确的模式（如在调用await()方法之前检查条件，并在修改条件之后调用signal()或signalAll()方法）。
公平性考虑：根据你的应用场景选择合适的锁公平性策略。虽然公平锁可以减少“饥饿”现象并提高可预测性，但它们也可能降低性能。另一方面，非公平锁可能会提供更好的性能，但在高竞争场景下可能导致线程“饥饿”。
性能考虑：与synchronized关键字相比，ReentrantLock在某些情况下可能提供更好的性能。但是，这也意味着你需要更小心地管理锁的获取和释放，以及处理可能出现的竞争和死锁问题。此外，过度使用锁（无论是synchronized还是ReentrantLock）都可能导致性能下降和可伸缩性问题。因此，在设计并发程序时，应该尽量使用无锁或低锁竞争的数据结构和算法。

结语

ReentrantLock 是 Java 提供的一种可重入的互斥锁，它具有与 synchronized 关键字类似的同步和锁定能力，但比 synchronized 更灵活。ReentrantLock支持中断获取锁、尝试获取锁（限时/非限时）和可轮询的获取锁等特性，适用于需要更高级锁定控制的场景。