聊聊高并发(十六)实现一个简单的可重入锁

本文探讨了可重入锁的概念,解释了为何在Java中使用synchronized关键字实现的内置锁是可重入的,并通过一个简单的实现示例展示了可重入锁的工作原理,包括计数器、内部锁和条件队列等关键机制。

可重入锁指的是如果一个线程已经获得了一个锁,那么它可以多次进入这个锁,当然前提是线程需要先获得这个锁。

可重入锁是最常使用的锁,Java的内置锁就是可重入锁,使用synchronized关键字可以启用内置锁机制,比如说一个类有两个synchronized方法A和B,在A方法中调用了B方法,如果锁不是可重入的,那么访问B时需要再次竞争锁,这样会带来死锁。

        public synchronized void A(){
		B();
	}
	
	public synchronized void B(){
		
	}


可重入锁解决了这个问题,它使用一个计数器来记录一个线程进入锁的次数,每次进入锁计数器就加1,释放锁减1,直到计数器为0时表示真正释放了锁。其他锁看到计数器不为0时就知道有其他线程已经获得了锁,就需要等待。Java的内置锁的基本原理也是这样,JDK1.5之后提供了显式锁ReentrantLock也是这个基本原理。


下面实现一个简单的可重入锁,

1. 使用一个Thread引用指向获得锁的线程

2. 使用一个计数器记录一个线程进入锁的次数,当计数器为0时表示锁是空闲的

3. 使用一个内部锁Lock来同步线程

4. 使用一个isHoldZero的条件来进行条件队列操作

5. 当获得锁的线程是自己时,只修改计数器的值,直接获得锁

6. 当获得锁的线程不是自己时,需要在holdCount !=0 这个条件谓词上等待,直到计数器归0,再次竞争锁

7. 释放锁时计数器减1,当计数器为0时,唤醒在条件队列中等待的线程


package com.zc.lock;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurren
<think>首先,用户的问题是:“我想了解互斥的概念和应用 请问互斥是什么 如何使用互斥解决并发问题”。根据系统级指令,我需要: - 所有行内数学表达式使用$...$格式。 - 独立公式使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如[^1]。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题,尽量保证回答真实可靠。 - 参考站内引用:我有几个引用:[^1], [^2], [^3], [^4], [^5],这些是关于互斥的引用。我需要自然地融入这些引用。 引用内容总结: - [^1]: 介绍了使用互斥实现线程互斥访问,避免竞态条件和数据不一致。 - [^2]: 互斥的特点:独占性、阻塞和等待、原子性。 - [^3]: 在Linux中,互斥的使用,lock和trylock的区别。 - [^4]: 互斥保护共享资源,如get()和addOne()方法需要访问受保护的资源。 - [^5]: 在嵌入式系统中使用互斥和信号量的伪代码。 我的回答应该覆盖互斥的概念和应用,并使用这些引用支持。 回答结构: 1. **介绍互斥的概念**:解释什么是互斥,为什么需要它。 2. **互斥的工作原理**:基于引用描述其特点。 3. **如何使用互斥解决并发问题**:给出例子或伪代码,参考引用。 4. **应用场景**:讨论互斥的应用,如多线程编程。 5. **生成相关问题**:在结束时添加相关问题。 使用中文回答。 确保LaTeX正确:用户提到数学表达式,但互斥主题可能不涉及太多数学。如果有,如描述原子操作,可能需要数学表达式。例如,原子性可以用数学表示,但可能不需要。保持简单。 步骤: - **开头**:直接回答用户问题,介绍互斥。 - **主体**:分步骤解释概念和应用。 - **结尾**:总结并生成相关问题。 融入引用: - 在解释概念时,引用[^1]和[^2]。 - 在讨论使用时,引用[^3]和[^4]。 - 在嵌入式应用,引用[^5]。 生成相关问题:像示例一样,在最后添加“§§相关问题§§”部分,列出几个问题。 最终输出结构: - 回答内容。 - §§相关问题§§ - 相关问题列表。</think>### 互斥的概念和应用 互斥(Mutex)是一种在多线程或多进程编程中用于实现并发控制的同步机制。它的核心目的是确保在任意时刻,只有一个线程或进程可以访问共享资源(如变量、文件或数据结构),从而避免竞态条件(race conditions)和数据不一致的问题。当多个线程同时尝试修改共享数据时,如果没有互斥,可能会导致数据损坏或程序崩溃。互斥通过提供“独占访问”的机制来解决这一问题,类似于一个房间的门:只有持有钥匙的线程才能进入“临界区”(critical section),其他线程必须等待被释放后才能尝试获取[^1]。 #### 互斥的核心特点 互斥的工作原理基于几个关键特性,这些特性确保了其有效性和可靠性: - **独占性**:当一个线程成功获取互斥后,其他线程无法同时获得该,必须等待被释放。这保证了共享资源在同一时间只被一个线程访问[^2]。 - **阻塞和等待**:如果一个线程尝试获取已被其他线程持有的互斥,它会被阻塞(即进入等待状态),直到被释放。这避免了线程在资源冲突时继续执行,从而防止数据错误[^2]。 - **原子性**:互斥的获取(lock)和释放(unlock)操作是原子的,意味着这些操作不会被中断或分割。这确保了操作的完整性和一致性,不会出现部分执行导致的并发问题[^2]。 在数学上,互斥的原子性可以用一个简单的模型表示:假设的状态 $S$ 是一个二元变量(0表示未定,1表示定),则获取的操作可以描述为: $$ \text{lock}() : \begin{cases} \text{if } S = 0, & \text{set } S = 1 \\ \text{else}, & \text{wait} \end{cases} $$ 释放的操作则是: $$ \text{unlock}() : \text{set } S = 0 $$ 这些操作在底层硬件或操作系统支持下实现原子性,确保并发安全[^3]。 #### 如何使用互斥解决并发问题 使用互斥解决并发问题通常涉及以下步骤,我将通过一个简单的代码示例(基于C语言)来说明。假设我们有一个共享变量 `counter`,多个线程可能同时修改它,我们需要互斥来保护这个变量。 1. **定义和初始化互斥**:在程序开始时,创建一个互斥对象。 2. **在临界区前获取**:在访问共享资源的代码段(临界区)前,调用获取函数。如果已被占用,线程会阻塞等待。 3. **执行临界区操作**:安全地修改共享资源。 4. **释放**:操作完成后立即释放,允许其他线程获取。 5. **处理的获取方式**:根据需求选择阻塞式(lock)或非阻塞式(trylock)。lock会让未抢到的线程等待,而trylock会立即返回状态(成功或失败),避免死风险[^3]。 以下是一个伪代码示例,演示如何用互斥保护一个计数器: ```c #include <pthread.h> pthread_mutex_t lock; // 定义互斥 int counter = 0; // 共享变量 void* increment_counter(void* arg) { for (int i = 0; i < 1000; i++) { pthread_mutex_lock(&lock); // 获取(阻塞式) counter++; // 临界区操作 pthread_mutex_unlock(&lock); // 释放 } return NULL; } int main() { pthread_mutex_init(&lock, NULL); // 初始化互斥 pthread_t thread1, thread2; pthread_create(&thread1, NULL, increment_counter, NULL); pthread_create(&thread2, NULL, increment_counter, NULL); pthread_join(thread1, NULL); pthread_join(thread2, NULL); pthread_mutex_destroy(&lock); // 销毁 printf("Final counter value: %d\n", counter); // 应输出2000 return 0; } ``` 在这个例子中,互斥确保 `counter++` 操作是原子的:线程1获取后执行自增,线程2必须等待释放后才能进入临界区。这样,最终结果总是2000,而不会因并发冲突导致数据错误(如输出小于2000)[^4]。 在实际应用中,互斥常用于: - **多线程数据共享**:如数据库操作、文件读写或缓存更新,确保数据一致性[^1]。 - **嵌入式系统**:在RT-Thread等实时操作系统中,结合信号量(semaphore)处理多路并发。例如,一个传感器采集线程获取互斥后,独占CPU资源读取数据,然后释放,避免多个传感器同时访问冲突[^5]。 - **分布式系统**:扩展到分布式,协调多个节点对共享资源的访问。 #### 注意事项和最佳实践 - **避免死**:确保的获取和释放成对出现,避免嵌套或长时间持有。 - **性能考虑**:操作可能引入开销,在高并发场景下,可优化为细粒度或使用无数据结构。 - **与信号量结合**:互斥(用于互斥)常与信号量(用于同步)配合,解决更复杂的并发问题,如生产者-消费者模型[^5]。 总之,互斥并发编程的基础工具,通过强制独占访问来保护共享资源,确保程序正确性和可靠性[^1][^2]。在实际开发中,应根据语言和平台(如Linux的pthread库或嵌入式RT-Thread)选择合适的实现
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