Java中的互斥锁介绍

前言

  互斥锁是一种广泛应用于多线程编程中的并发控制机制。在Java中，互斥锁有很多不同的实现方式，在本文中我们将介绍Java中常见的几种互斥锁实现方式，并讲解它们的用法、原理和代码案例。

synchronized关键字

  在Java中，采用synchronized关键字可以实现线程之间的互斥操作。具体来说，使用synchronized关键字可以保证同一时刻只有一个线程可以进入到临界区域（即加锁的代码块）执行。当一个线程访问某个对象的synchronized代码块或方法时，其他试图访问该对象的线程将会被阻塞，直到当前线程执行完这个代码块或方法并释放锁。

  synchronized关键字采用的是悲观锁机制，即在加锁的代码块或方法内部，系统默认认为其他线程会同时访问共享资源，因此需要加锁保护，以避免所谓的“脏数据”等情况。它的优点在于使用方便简单，缺点在于对于性能开销较大，而且只支持非公平锁。

  下面是synchronized关键字的一个示例代码：

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 临界区域
        // ...
    }
}

ReentrantLock类

  ReentrantLock类也是Java中的互斥锁实现方式之一，与synchronized不同的是，它提供了更加灵活的加锁和解锁机制。当一个线程获取了ReentrantLock实例的锁后，可以重复多次进入到临界区域执行，而不必像synchronized一样一次性获得或释放所有的锁。

  ReentrantLock提供了两种锁模式：公平锁和非公平锁。公平锁采用先进先出的机制，即等待时间最长的线程将获取到锁，这样可以保证所有线程在竞争资源时具有相同的机会。而非公平锁则允许线程由于优先级等因素插队获取锁，这样可能会导致某些线程长时间无法获取锁，从而造成饥饿现象。

  下面是ReentrantLock类的一个示例代码：

public class ReentrantLockDemo {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void reentrantLockMethod() {
        lock.lock();
        try {
            // 临界区域
            // ...
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

Semaphore类

  Semaphore是Java中另一种常见的互斥锁实现方式，它可以控制同时访问某个资源的线程数量，并允许多个线程同时访问同一个资源。Semaphore内部维护了一个计数器，用于记录当前可用的许可证数量，当线程需要获取许可证时，会调用acquire()方法进行等待，当许可证可用时，才能获取到许可证并执行相应的操作，执行完毕后需要调用release()方法释放许可证。

  Semaphore在一些场景下非常适用，例如必须限制某一资源的并发访问数量时。它也可以用来控制线程池中任务的数量，限制同时执行的任务数量。

  下面是Semaphore类的一个示例代码：

public class SemaphoreDemo {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public void semaphoreMethod() throws InterruptedException {
        try {
            semaphore.acquire();
            // 临界区域
            // ...
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

ReadWriteLock接口

  ReadWriteLock接口是Java中提供的读写锁机制，它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程进行写操作。ReadWriteLock接口包含两个锁对象：读锁和写锁，读锁可以被多个线程同时获取，但写锁必须独占。当有线程持有写锁时，其他线程无法获得读锁或写锁，直到该线程释放写锁。

  ReadWriteLock适用于读操作频繁而写操作较少的场景，它可以提高系统的并发读取性能并保证数据一致性。例如，在某些场景下，我们需要将一些数据从数据库缓存到内存中，这些数据在内存中是只读的，可以使用ReadWriteLock来实现，以保证数据安全和性能。

  下面是ReadWriteLock接口的一个示例代码：

public class ReadWriteLockDemo {
    private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    private final Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
    private String data;

    public String readData() {
        readLock.lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public void writeData(String newData) {
        writeLock.lock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

  以上就是Java中常见的互斥锁实现方式及其用法、原理和代码案例介绍。在实际应用中，选择合适的互斥锁实现方式可以提高程序的并发性能和稳定性，需要结合具体场景进行选择和使用。