【JAVA进阶篇教学】第十一篇：Java中ReentrantLock锁讲解

博主打算从0-1讲解下java进阶篇教学，今天教学第十篇：Java中ReentrantLock锁讲解。

在Java并发编程中，保证多线程环境下的数据安全是至关重要的。ReentrantLock 是Java中用于实现线程安全的一种锁机制。本篇博客将深入介绍 ReentrantLock 的原理、详细说明，并通过案例演示线程不安全情况以及如何使用 ReentrantLock 实现线程安全。

目录

一、原理?

二、代码测试

1.线程不安全案例

2.线程安全案例

三、公平性?

四、条件变量

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一、原理

ReentrantLock 是Java中的一种锁实现，它具有可重入性，即同一线程可以多次获取同一把锁而不会出现死锁。它使用了一种互斥锁的机制，确保了在同一时刻只有一个线程可以访问被锁定的代码块或方法。

ReentrantLock是 Java 中的一个可重入锁类，它实现了Lock接口。ReentrantLock的原理主要涉及以下几个方面：

1. 锁状态：ReentrantLock通过一个内部的锁状态来表示当前锁的占用情况。锁状态可以是未锁定、锁定和重入锁定等状态。
2. 获取锁：当线程调用lock方法时，它会尝试获取锁。如果锁当前没有被其他线程占用，那么该线程将成功获取锁，并将锁状态设置为锁定。如果锁已经被其他线程占用，那么当前线程将被阻塞，直到锁被释放。
3. 释放锁：当线程调用unlock方法时，它会释放锁。如果当前线程持有锁，那么它将把锁状态设置为未锁定，并唤醒等待获取锁的线程。
4. 可重入性：ReentrantLock支持可重入性，即同一个线程可以多次获取同一个锁。在获取锁时，锁的持有计数会增加，在释放锁时，锁的持有计数会减少。只有当锁的持有计数为 0 时，锁才会被完全释放。
5. 公平性：ReentrantLock可以选择是否采用公平锁策略。公平锁保证线程按照先来先服务的顺序获取锁，而不公平锁则允许线程抢占锁。
6. 条件变量：ReentrantLock还提供了条件变量的支持，可以用于实现线程的等待和通知机制。线程可以在满足特定条件时等待，直到其他线程通知条件满足。

二、代码测试

1.线程不安全案例

public class UnsafeCounter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        UnsafeCounter counter = new UnsafeCounter();
        // 创建两个线程并发增加计数
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        // 等待两个线程执行完成
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出最终计数值
        System.out.println("Count: " + counter.getCount()); // 预期结果: 可能小于 2000
    }
}

在这个示例中，由于 increment() 方法没有同步控制，两个线程同时对 count 进行增加操作，可能导致计数不准确。得到的结果偶尔可能是正确的2000。

2.线程安全案例

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SafeCounter {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SafeCounter counter = new SafeCounter();
        // 创建两个线程并发增加计数
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        // 等待两个线程执行完成
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出最终计数值
        System.out.println("Count: " + counter.getCount()); // 预期结果: 可能小于 2000
    }
}

在这个示例中，使用 ReentrantLock 来确保了对 count 的操作是线程安全的，保证了最终输出的计数值是准确的。

三、公平性

公平性是指在多线程环境下，锁的获取顺序应该遵循先来先服务的原则，即先请求锁的线程应该先获得锁。在 Java 中，可以通过设置ReentrantLock的构造函数参数来选择使用公平锁或非公平锁。以下是一个使用公平锁的示例代码：

public class ReentrantLockTest extends Thread {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 创建公平锁

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            lock.lock(); // 获取锁
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得锁");
                // 执行临界区操作
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock(); // 释放锁
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockTest thread1 = new ReentrantLockTest();
        ReentrantLockTest thread2 = new ReentrantLockTest();
        ReentrantLockTest thread3 = new ReentrantLockTest();

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

默认情况下非公平锁

Lock lock = new ReentrantLock();

创建公平锁

Lock fairLock = new ReentrantLock(true);

四、条件变量

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionVariableExample {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void waitForCondition() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("线程等待条件满足...");
            condition.await();
            System.out.println("线程收到通知，条件满足！");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void notifyCondition() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("通知线程，条件满足...");
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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

        // 创建并启动等待条件的线程
        Thread waitingThread = new Thread(() -> {
            example.waitForCondition();
        });
        waitingThread.start();

        // 模拟条件满足的情况
        // 可以在其他地方执行此操作，以通知等待线程条件已满足
        example.notifyCondition();
    }
}

在上述示例中，我们创建了一个ReentrantLock对象lock和一个与之关联的条件变量condition。

1. waitForCondition方法用于线程等待条件满足。在方法内部，首先获取锁，然后打印出等待消息，并使用condition.await方法使线程等待条件满足。在等待过程中，线程会释放锁，并进入阻塞状态。
2. notifyCondition方法用于通知等待条件的线程。在方法内部，获取锁后，打印出通知消息，并使用condition.signalAll方法通知所有等待条件的线程。

在main方法中，我们创建了一个等待条件的线程waitingThread，并启动它。然后，模拟条件满足的情况，调用notifyCondition方法通知等待线程。
通过使用ReentrantLock和条件变量，我们可以实现线程之间的同步和协作，确保在特定条件满足时执行相应的操作。