解析 Java 的多线程同步机制：锁与信号量

潜意识Java

已于 2025-04-20 17:34:55 修改

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分类专栏： Java知识文章标签： java 开发语言

于 2025-04-09 15:05:04 首次发布

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引言

锁机制

基本概念

内置锁（synchronized 关键字）

重入锁（ReentrantLock）

信号量机制

基本概念

Java 中的信号量（Semaphore）

引言

在 Java 编程里，多线程能够显著提升程序的性能与响应速度。不过，多个线程同时访问共享资源时，可能会引发数据不一致、竞态条件等问题。为了确保线程安全，Java 提供了多种多线程同步机制，其中锁和信号量是较为常用的两种。接下来，我们会深入探讨这两种机制。

锁机制

基本概念

锁是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步机制。当一个线程获取到锁之后，其他线程就必须等待该线程释放锁，才能继续访问共享资源。这样可以保证同一时刻只有一个线程能访问共享资源，避免数据不一致的问题。

内置锁（synchronized 关键字）

用法：synchronized 关键字可以修饰方法或者代码块。当修饰方法时，该方法在同一时刻只能被一个线程访问；当修饰代码块时，需要指定一个锁对象，只有获取到该锁对象的线程才能执行代码块中的内容。
示例代码：

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    // 同步方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 同步代码块
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }
}

原理：每个 Java 对象都有一个与之关联的监视器（monitor），synchronized 方法或者代码块在进入时会尝试获取对象的监视器，获取成功才能执行，执行完毕后释放监视器。

重入锁（ReentrantLock）

用法：ReentrantLock 是 Java 提供的一个可重入的互斥锁，它比 synchronized 关键字更加灵活。可以通过 lock() 方法获取锁，通过 unlock() 方法释放锁。
示例代码：

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();
        }
    }
}

特点：可重入意味着同一个线程可以多次获取同一把锁而不会被阻塞；还支持公平锁模式，即按照线程请求锁的顺序来分配锁。

信号量机制

基本概念

信号量是一种更高级的同步机制，它可以控制同时访问共享资源的线程数量。信号量内部维护了一个许可（permit）计数器，线程在访问共享资源之前需要先获取许可，访问结束后释放许可。

Java 中的信号量（Semaphore）

用法：Semaphore 类位于 java.util.concurrent 包中，通过构造函数指定初始的许可数量。线程可以通过 acquire() 方法获取许可，通过 release() 方法释放许可。
示例代码：

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");
                    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();
        }
    }
}