【JAVA面试题】探索多线程同步：ReentrantLock与synchronized的对比解析

news2024/12/24 21:49:12

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      • ReentrantLock介绍
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        • 条件变量（Condition）：
        • 可中断性（Interruption）：
        • 超时获取（Timeout）：
      • synchronized 的介绍
        • 互斥性（Mutual Exclusion）：
        • 可见性（Visibility）：
        • 原子性（Atomicity）：
        • 隐式锁和释放：
      • ReentrantLock 和synchronized 的异同点
        • 相同点：
        • 不同点：
      • ReentrantLock 和synchronized 的应用场景
        • `ReentrantLock` 的场景：
        • 适合使用 `synchronized` 的场景：
      • ReentrantLock 和synchronized 的应用实例
        • 使用 `ReentrantLock` 实现线程同步：
        • 使用 `synchronized` 实现线程同步：
      • 总结：
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引言：

在多线程编程中，确保共享资源的安全访问是至关重要的。

为了避免数据竞争和不确定的结果，我们需要使用适当的同步机制来保护共享资源。

Java 中提供了两种主要的线程同步机制：ReentrantLock 和 synchronized。

虽然它们都可以实现线程同步，但在具体的应用中，我们需要根据需求和场景来选择合适的方法。

本文将介绍 ReentrantLock 和 synchronized 的异同点，并通过示例演示它们的应用场景和用法。

ReentrantLock介绍

ReentrantLock 是 Java 中用于实现锁的一个类，它提供了与 synchronized 关键字类似的功能，但更加灵活和强大。与 synchronized 相比，ReentrantLock 提供了更多的操作和控制选项。

  1. 可重入性（Reentrancy）：

    与 synchronized 类似，ReentrantLock 支持线程的可重入性，即同一个线程可以多次获取同一个锁而不会造成死锁。

  2. 公平性（Fairness）：

    ReentrantLock 可以选择是否公平地进行锁的获取。公平锁是指锁的获取按照线程请求的顺序来分配，而非公平锁则不保证这种顺序。公平锁可以避免某些线程长时间被阻塞的情况，但会带来一些性能损耗。

  3. 条件变量（Condition）：

    ReentrantLock 提供了 Condition 接口，可以用来在锁上等待或者唤醒特定的条件。这使得在某些情况下，我们可以更加灵活地控制线程的等待和唤醒。

  4. 可中断性（Interruption）：

    与 synchronized 不同，ReentrantLock 提供了可中断的获取锁的方法。即在等待锁的过程中，线程可以响应中断信号而提前退出等待。

  5. 超时获取（Timeout）：

    ReentrantLock 提供了尝试获取锁的方法，允许线程在一定的时间内尝试获取锁，如果超过指定的时间仍未获取到锁，则返回失败。

使用 ReentrantLock 需要手动进行锁的获取和释放，相对于 synchronized 更加灵活，但也需要更加小心地处理锁的获取和释放，以避免出现死锁等问题。

synchronized 的介绍

synchronized 是 Java 中用于实现线程同步的关键字，可以用来确保多个线程不会同时访问共享资源，从而避免数据竞争和不确定的结果。

  1. 互斥性（Mutual Exclusion）：

    synchronized 关键字可以应用于方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程可以执行被 synchronized 修饰的代码，其他线程必须等待当前线程执行完毕才能执行该代码块或方法。

  2. 可见性（Visibility）：

    通过synchronized关键字，线程在释放锁时会将修改的变量值刷新到主内存，从而保证了在不同线程间的可见性，即一个线程对共享变量的修改对其他线程是可见的。

  3. 原子性（Atomicity）：

    synchronized 块中的代码被视为一个不可分割的整体，称为原子操作。这确保了在同一时刻只有一个线程可以执行 synchronized 块中的代码，从而避免了因多线程并发访问而导致的数据不一致问题。

  4. 隐式锁和释放：

    与 ReentrantLock 不同，synchronized 使用起来更加简洁，不需要显式地获取和释放锁，锁的获取和释放由 JVM 隐式地管理。

虽然 synchronized 简单易用，但也有一些限制，例如无法设置超时、不支持非块结构的条件等待。在性能方面，synchronized 相对于 ReentrantLock 可能会有一些性能开销，尤其是在高并发场景下。

ReentrantLock 和synchronized 的异同点

ReentrantLock 和 synchronized 都可以用于实现线程同步，但在实现细节、功能和使用方式上有一些异同点：

相同点：

  1. 实现线程同步：

    ReentrantLock 和 synchronized 都可以确保多个线程之间对共享资源的访问是线程安全的，避免了数据竞争和不确定的结果。

  2. 可重入性：

    两者都支持线程的可重入性，即同一个线程可以多次获取同一个锁而不会造成死锁。

  3. 内置的可见性和原子性：

    无论是 ReentrantLock 还是 synchronized，在释放锁时都会将修改的变量值刷新到主内存，从而保证了在不同线程间的可见性，并且锁的获取和释放都是原子操作。

不同点：

  1. 灵活性和控制性：

    • ReentrantLock 相比 synchronized 更加灵活，提供了更多的操作和控制选项，例如可中断性、公平性、超时获取等，以及条件变量的支持。
    • synchronized 使用起来更加简洁，不需要显式地获取和释放锁，锁的管理由 JVM 隐式地完成。

  2. 可中断性：

    • ReentrantLock 支持可中断的锁获取操作，即在等待锁的过程中可以响应中断信号而提前退出等待。
    • synchronized 不支持可中断性，一旦线程进入等待状态，只能等待锁的释放。

  3. 公平性：

    • ReentrantLock 可以选择是否公平地进行锁的获取，即锁的获取按照线程请求的顺序来分配。
    • synchronized 不提供公平性选项，它总是非公平的。

  4. 性能开销：

    • 在性能方面，一般情况下 synchronized 的性能优于 ReentrantLock，因为 synchronized 的实现经过 JVM 的优化，而 ReentrantLock 的实现较为复杂，可能会有一些额外的性能开销。但在高并发场景下，ReentrantLock 的性能可能会更好，因为它提供了更多的控制选项，可以更好地适应特定的应用场景。

综上所述，选择使用 ReentrantLock 还是 synchronized 取决于具体的需求和应用场景，通常情况下建议优先考虑使用 synchronized，除非需要 ReentrantLock 提供的额外功能和灵活性。

ReentrantLock 和synchronized 的应用场景

ReentrantLock 和 synchronized 都可以用于实现线程同步，但它们的应用场景有一些差异：

ReentrantLock 的场景：

  1. 需要更灵活的锁控制：

    如果需要更多的锁控制选项，例如可中断性、公平性、超时获取等，ReentrantLock 是一个更好的选择。例如，在某些情况下，需要能够在等待锁的过程中响应中断信号而提前退出等待，这时候就可以使用 ReentrantLock 的可中断锁。

  2. 需要实现读写分离锁：

    ReentrantReadWriteLock 是 ReentrantLock 的一个扩展，提供了读写分离锁的功能，适用于读多写少的场景。

  3. 需要手动释放锁：

    ReentrantLock 需要手动进行锁的获取和释放，这种手动释放锁的方式可能在某些场景下更加灵活，但也需要更小心地处理锁的获取和释放，以避免出现死锁等问题。

适合使用 synchronized 的场景：

  1. 简单的同步需求：

    对于简单的同步需求，例如对单个方法或代码块进行同步，没有额外的锁控制需求，使用 synchronized 更加简洁和方便。

  2. 性能要求不是关键因素：

    在性能要求不是关键因素的情况下，使用 synchronized 更加方便，因为它不需要额外的锁管理开销，而且 JVM 对其进行了优化。

  3. 易于理解和维护：

    synchronized 使用起来更加简单，不需要手动释放锁，对于代码的可读性和维护性更加友好。

选择使用 ReentrantLock 还是 synchronized 取决于具体的需求和应用场景。

通常情况下，如果没有特殊的锁控制需求，并且性能要求不是关键因素，建议优先考虑使用 synchronized，因为它更简单、更方便。

而在需要更灵活的锁控制、或者性能要求较高的场景下，可以考虑使用 ReentrantLock。

ReentrantLock 和synchronized 的应用实例

使用 ReentrantLock 实现线程同步：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int count = 0;

    public void increment() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            count++; // 临界区代码
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();

        // 创建多个线程并启动
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment(); // 调用 increment 方法
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出最终的 count 值
        System.out.println("Final count: " + example.getCount());
    }
}
使用 synchronized 实现线程同步：
public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() { // 使用 synchronized 关键字修饰方法
        count++; // 临界区代码
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        // 创建多个线程并启动
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment(); // 调用 increment 方法
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完毕
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出最终的 count 值
        System.out.println("Final count: " + example.getCount());
    }
}

总结：

在多线程编程中，选择合适的线程同步机制对于程序的性能和正确性至关重要。

ReentrantLock 和 synchronized 都是有效的线程同步机制，每种机制都有其优势和适用场景。

在实际开发中，我们应该根据具体的需求和场景来选择合适的机制，并且在编写多线程代码时，始终注意避免死锁和性能瓶颈等问题，以确保程序的正确性和高效性。

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