ReentrantLock重入锁

本文深入探讨了ReentrantLock的工作原理及使用场景,包括其构造方法、不同锁模式的应用,以及可重入性的概念。通过具体示例展示了如何利用ReentrantLock实现线程同步,帮助读者理解如何在实际开发中正确使用此组件。

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ReentrantLock是一个可重入的互斥锁,重入锁是一种递归无阻塞的同步机制。由最近成功获取锁,还没有释放的线程所拥有,当锁被另一个线程拥有时,调用lock的线程可以成功获取锁。如果锁已经被当前线程拥有,当前线程会立即返回。

重入锁的构造方法提供一个可选的公平参数:
    公平情况下,操作会排一个队按顺序执行,来保证执行顺序。
    不公平情况下,是无序状态允许插队,jvm会自动计算如何处理更快速来调度插队.
    公平与非公平有何区别,所谓公平就是严格按照FIFO顺序获取锁,非公平安全由程序员自己设计,比如可以按优先级,也可以按运行次数等规则来选择。

1、 如果发现该操作已经在执行中则不再执行(有状态执行)
    a、用在定时任务时,如果任务执行时间可能超过下次计划执行时间,确保该有状态任务只有一个正在执行,忽略重复触发。
    b、用在界面交互时点击执行较长时间请求操作时,防止多次点击导致后台重复执行(忽略重复触发)。
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
    if (lock.tryLock()) {  //如果已经被lock,则立即返回false不会等待,达到忽略操作的效果   
        try {  
            //操作  
        } finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    }  

2、如果发现该操作已经在执行,等待一个一个执行(同步执行,类似synchronized)
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //参数默认false,不公平锁  
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁  
      
    lock.lock(); //如果被其它资源锁定,会在此等待锁释放,达到暂停的效果  
    try {  
        //操作  
    } finally {  
        lock.unlock();  
    }  

3、如果发现该操作已经在执行,则尝试等待一段时间,等待超时则不执行(尝试等待执行)
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁  
    try {  
        if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {      
            //如果已经被lock,尝试等待5s,看是否可以获得锁,如果5s后仍然无法获得锁则返回false继续执行  
            try {  
                //操作  
            } finally {  
                lock.unlock();  
            }  
        }  
    } catch (InterruptedException e) {  
        e.printStackTrace(); //当前线程被中断时(interrupt),会抛InterruptedException                   
    }  

4、如果发现该操作已经在执行,等待执行。这时可中断正在进行的操作立刻释放锁继续下一操作。
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁  
    lock.lockInterruptibly();  
    try {  
        //操作  
    } catch (InterruptedException e) {  
        e.printStackTrace();  
    } finally {  
        lock.unlock();  
    }  

可重入概念

若一个程序或子程序可以“安全的被并行执行(Parallel computing)”,则称其为可重入(reentrant或re-entrant)的。即当该子程序正在运行时,可以再次进入并执行它(并行执行时,个别的执行结果,都符合设计时的预期)。可重入概念是在单线程操作系统的时代提出的。



<think>我们重点讨论ReentrantLock,它是Java中一个重要的可重入锁实现,基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)框架。 根据引用[1][2][3],我们将从底层原理、实现机制、使用场景和代码示例几个方面展开。 一、底层原理 ReentrantLock的核心是AQS(AbstractQueuedSynchronizer),它使用一个整型的volatile变量(state)来表示锁的状态,以及一个FIFO线程等待队列(CLH队列的变体)来管理未获取到锁的线程。 1.1 可重入性实现 当线程第一次获取锁时,通过CAS操作将state从0设置为1,并记录当前锁的持有者(exclusiveOwnerThread)。同一线程再次获取锁时,state递增,释放时递减,直到state为0时完全释放锁。 1.2 公平锁与非公平锁(引用[2]) - 非公平锁(默认模式):新线程尝试获取锁时,不管等待队列中是否有其他线程在等待,直接尝试CAS抢锁。如果失败,则加入队列等待。这种方式可能导致线程饥饿,但性能高。 - 公平锁:新线程尝试获取锁时,先检查等待队列中是否有等待线程,如果有则直接加入队列末尾,按顺序获取锁。保证公平性,但性能较低。 二、实现步骤(以非公平锁为例) 1. lock()方法: - 尝试通过CAS将state从0设置为1(快速获取) - 如果成功,设置当前线程为锁持有者 - 如果失败,调用acquire(1)方法(该方法在AQS中) 2. acquire(1)方法: - 首先调用tryAcquire(1)(由子类实现)再次尝试获取锁(此时可能由于锁重入而成功) - 如果失败,则调用addWaiter将当前线程加入等待队列(节点模式为独占模式) - 然后调用acquireQueued方法,在队列中自旋或阻塞等待 3. unlock()方法: - 调用tryRelease(1)(由子类实现)释放锁(state减1,如果减到0则完全释放) - 唤醒队列中的下一个线程(如果有) 三、使用场景 - 需要可重入锁特性的场景(例如递归调用加锁) - 需要尝试非阻塞获取锁(tryLock) - 需要可中断的锁获取(lockInterruptibly) - 需要公平锁机制(防止线程饥饿) - 需要绑定多个条件(Condition,比Object的wait/notify更灵活) 四、代码示例 4.1 基本使用 ```java import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class ReentrantLockExample { private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void criticalSection() { lock.lock(); // 获取锁 try { // 临界区代码 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入临界区"); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); // 释放锁 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 离开临界区"); } } public static void main(String[] args) { final ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample(); // 创建多个线程测试 for (int i = 0; i < 5; i++) { new Thread(example::criticalSection).start(); } } } ``` 4.2 可中断锁 ```java public void interruptibleLock() { try { lock.lockInterruptibly(); // 可中断加锁 try { // 临界区 } finally { lock.unlock(); } } catch (InterruptedException e) { // 处理中断 Thread.currentThread().interrupt(); } } ``` 4.3 尝试获取锁(tryLock) ```java public void tryLockExample() { if (lock.tryLock()) { // 尝试获取锁,立即返回结果 try { // 临界区 } finally { lock.unlock(); } } else { // 执行其他操作 } } // 带超时的tryLock public void tryLockWithTimeout() throws InterruptedException { if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) { // 最多等待2秒 try { // 临界区 } finally { lock.unlock(); } } else { // 超时未获取锁 } } ``` 4.4 公平锁 ```java // 创建公平锁 ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); public void fairLockExample() { fairLock.lock(); try { // 临界区 } finally { fairLock.unlock(); } } ``` 五、原理总结 - 可重入性:通过记录持有锁的线程和重入次数(state)实现。 - 公平性:公平锁严格按照等待队列顺序获取锁;非公平锁允许插队,提高吞吐量。 - 锁释放:必须由持有锁的线程释放,且次数匹配(state归零)。 注意:必须将unlock()放在finally块中,以确保锁的释放。 相关问题: 1. ReentrantLock的公平锁和非公平锁在性能上有何差异?为什么? 2. ReentrantLock的Condition机制是如何实现的? 3. ReentrantLock与synchronized关键字相比有哪些优势? 4. 为什么ReentrantLock的tryLock方法是非公平的? 5. 在哪些场景下应该使用ReentrantLock而不是synchronized?</think>### Java ReentrantLock 深度解析 #### 一、底层原理 ReentrantLock 的核心是 **AQS(AbstractQueuedSynchronizer)框架**[^1],其实现基于三个关键组件: 1. **volatile int state**:锁状态标记(0=未锁定,≥1=锁定/重入次数) 2. **CLH队列**:双向链表实现的线程等待队列(FIFO) 3. **CAS操作**:通过 `Unsafe.compareAndSwapInt()` 实现原子状态变更 ```mermaid graph LR A[lock.lock] --> B[尝试CAS设置state] B -->|成功| C[设置持有线程=当前线程] B -->|失败| D[加入CLH队列尾部] D --> E[LockSupport.park 阻塞] ``` **公平锁 vs 非公平锁** 实现差异[^2]: - **非公平锁**(默认):新线程直接尝试抢锁(可能插队) - **公平锁**:严格按CLH队列顺序获取锁 #### 二、功能实现步骤 ##### 1. 加锁流程 ```java final void lock() { // 非公平锁实现 if (compareAndSetState(0, 1)) // CAS尝试快速获取锁 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 成功则记录持有线程 else acquire(1); // 进入AQS排队流程 } ``` **重入机制**:同一线程重复获取时,state 值递增(state=2 表示重入1次) ##### 2. 解锁流程 ```java public void unlock() { sync.release(1); // 释放锁资源 } protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 非持有线程禁止解锁 boolean free = false; if (c == 0) { // 完全释放锁 free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); // 更新状态 return free; } ``` #### 三、使用场景与代码实例 ##### 场景1:基础锁保护 ```java ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private int balance = 100; void transfer(int amount) { lock.lock(); // 获取锁 try { if (balance >= amount) { balance -= amount; System.out.println("转账成功,余额:" + balance); } } finally { lock.unlock(); // 必须finally释放 } } ``` ##### 场景2:可中断锁(应对任务取消)[^3] ```java ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); void criticalTask() throws InterruptedException { try { lock.lockInterruptibly(); // 可中断加锁 // 执行敏感操作 } finally { if (lock.isHeldByCurrentThread()) lock.unlock(); } } // 调用线程可执行:thread.interrupt() 中断等待 ``` ##### 场景3:公平锁(防止线程饥饿) ```java ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 启用公平模式 void fairAccess() { fairLock.lock(); try { // 资源访问(按请求顺序执行) } finally { fairLock.unlock(); } } ``` ##### 场景4:尝试锁(避免死锁) ```java if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) { // 最多等待2秒 try { // 成功获取锁 } finally { lock.unlock(); } } else { System.out.println("获取锁超时,执行备用方案"); } ``` #### 四、与synchronized对比 | **特性** | `ReentrantLock` | `synchronized` | |------------------------|----------------------------------|--------------------------| | 锁获取方式 | 显式调用 `lock()`/`unlock()` | 隐式(代码块/方法) | | 可中断性 | ✅ 支持 `lockInterruptibly()` | ❌ 不支持 | | 公平锁 | ✅ 可配置公平策略 | ❌ 仅非公平 | | 条件变量 | ✅ 支持多个 `Condition` | ❌ 单条件等待 | | 锁释放 | 必须手动释放(易出错) | 自动释放 | | 性能 | 高竞争场景更优 | Java 6+优化后接近 | #### 五、最佳实践 1. **必须**在 `finally` 块中释放锁 2. 避免锁嵌套,防止死锁(可用 `tryLock` 超时机制) 3. 读多写少场景考虑 `ReadWriteLock` 4. 锁粒度尽量细化,减少临界区代码 > ⚠️ **典型错误**: > ```java > lock.lock(); > try { > // 可能抛出异常的代码 > } finally { > // 忘记调用 unlock() > } > ``` --- ### 原理总结 1. **可重入性**:通过记录持有线程和重入计数(state)实现[^1] 2. **公平性**:公平锁严格按CLH队列顺序获取,非公平锁允许插队[^2] 3. **中断响应**:通过 `Thread.interrupt()` 唤醒等待线程[^3] 4. **性能优化**:CAS操作减少内核态切换,CLH队列降低竞争
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