解析 Java 的多线程同步机制：锁与信号量

在 Java 多线程编程中，为了保证数据的一致性和线程安全，需要使用同步机制来协调多个线程对共享资源的访问。锁和信号量是两种常用的同步工具，下面将对它们进行详细解析。

锁

• 概念：锁是一种用于控制多个线程对共享资源进行访问的机制。当一个线程获取到锁后，其他线程就必须等待，直到该线程释放锁，才能有机会获取锁并访问共享资源。
• 实现方式
  • synchronized 关键字：这是 Java 中最基本的锁实现方式。可以用来修饰方法或代码块。当修饰方法时，锁对象是当前实例对象（对于实例方法）或类对象（对于静态方法）；当修饰代码块时，需要指定一个锁对象。例如：

 

java

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }
}

 

• ReentrantLock 类：这是 Java 5 之后提供的一种更灵活的锁实现。它具有可重入性，即同一个线程可以多次获取同一个锁。与 synchronized 关键字相比，它提供了更多的功能，如可中断锁获取、公平锁等。例如：

 

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

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

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

    public void decrement() {
        lock.lock();
        try {
            count--;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

 

• 锁的优化：Java 虚拟机对锁的实现进行了一系列的优化，如偏向锁、轻量级锁和锁膨胀等机制。偏向锁是为了优化只有一个线程访问同步块的情况，通过在对象头中记录偏向的线程 ID，避免不必要的锁获取和释放操作；轻量级锁则是在多个线程交替访问同步块时，使用 CAS 操作来尝试获取锁，减少重量级锁的使用，提高性能。

信号量

• 概念：信号量是一种用于控制同时访问某个资源的线程数量的同步工具。它维护了一个许可计数器，线程在访问资源前需要获取许可，只有当许可数量大于 0 时，线程才能获取许可并访问资源，否则线程将被阻塞。当线程访问完资源后，需要释放许可，以便其他线程可以获取许可。
• 实现方式：在 Java 中，通过 Semaphore 类来实现信号量。例如，以下代码实现了一个简单的信号量示例，限制同时有两个线程可以访问共享资源：

 

java

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到许可，开始访问资源");
                    // 模拟访问资源的操作，休眠一段时间
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 访问资源结束，释放许可");
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

 

• 应用场景：信号量常用于控制资源的并发访问数量，例如数据库连接池的管理，通过信号量可以限制同时获取数据库连接的线程数量，避免过多的线程同时访问数据库导致性能下降。

锁与信号量的比较

• 功能侧重点：锁主要用于保护共享资源，确保在同一时刻只有一个线程能够访问；而信号量更侧重于控制并发访问的数量，可以允许多个线程同时访问共享资源，但有数量限制。
• 实现机制：锁通常是基于对象的监视器实现的，通过获取和释放锁来控制线程的访问；信号量则是通过维护许可计数器来实现对线程的控制。
• 使用场景：当需要确保共享资源的互斥访问时，使用锁比较合适；当需要控制并发访问的数量，例如限制资源的并发使用量时，信号量是更好的选择。

 

锁和信号量都是 Java 多线程编程中重要的同步机制，开发人员需要根据具体的业务需求和场景来选择合适的同步工具，以确保多线程程序的正确性和性能。