Java并发编程之ReentrantLock重入锁原理解析

Java并发编程之ReentrantLock重入锁原理解析

在多线程编程中，同步是一种重要的技术，用于控制对共享资源的并发访问。ReentrantLock是Java并发编程库中的一个重要工具，用于实现互斥访问共享资源的目的。ReentrantLock可以理解为一个可重入的互斥锁，它允许一个线程多次获取同一把锁，避免了在多线程环境中对共享资源的并发访问。

一、ReentrantLock实现

1. 基本原理

ReentrantLock通过内部计数器来记录锁的占用情况。当一个线程尝试获取锁时，会先检查计数器，如果计数器为0，说明锁未被占用，该线程可以获取锁并执行临界区的代码。如果计数器不为0，说明锁已被其他线程占用，该线程将会被阻塞，并将自己加入到等待队列中。当锁的占用者释放锁时，会检查等待队列，唤醒一个等待的线程。

2. 线程阻塞与唤醒机制

当线程请求锁时，如果锁被占用，线程会进入阻塞状态并将自己加入到等待队列中。当锁的占用者释放锁时，会唤醒一个等待的线程。这个过程是通过JVM的Unsafe类来实现的，通过调用park()方法来实现线程的阻塞和唤醒。当调用park()方法时，线程会释放CPU资源并进入阻塞状态，等待其他线程调用unpark()方法来唤醒它。当调用unpark()方法时，等待队列中的线程会被唤醒并尝试获取锁。

3. 公平锁与非公平锁

ReentrantLock有两种类型：公平锁和非公平锁。公平锁按照线程请求锁的顺序分配锁，而非公平锁则没有这个限制。在创建ReentrantLock对象时，可以通过参数来指定是使用公平锁还是非公平锁。

4. 锁状态的改变

ReentrantLock的状态分为四种：公平锁和非公平锁分别有0和1个等待线程两种状态，还有锁定状态和未锁定状态。这些状态的改变需要通过lock()、unlock()、tryLock()等接口进行操作。

二、ReentrantLock工作原理分析

1. 锁的获取与释放

ReentrantLock提供了两种获取锁的方式：lock()和tryLock()。lock()方法会一直阻塞直到获取到锁，而tryLock()方法则会立即返回是否获取到了锁。当一个线程释放锁时，会调用unlock()方法来释放锁，释放后的锁会被加入到等待队列中，等待其他线程来获取。

2. 公平性策略

ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种策略。公平锁按照线程请求锁的顺序分配锁，而非公平锁则没有这个限制。在实现上，公平锁会使用一个FIFO队列来保存等待的线程，而非公平锁则不会。这种策略可以有效地避免“饥饿”问题。

3. 可重入特性

ReentrantLock支持可重入特性，即一个线程可以多次获取同一个锁。在实现上，当一个线程再次获取已经获取的锁时，会直接返回成功状态，而不会进行阻塞。这就意味着同一个线程可以多次获得同一把锁，但每次获取都需要释放，否则会导致死锁。

三、简单Java代码示例

下面是一个使用ReentrantLock实现同步访问的简单示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

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

    public void increment() {
        lock.lock();  // 获取锁
        try {
            count++;  // 修改共享资源
        } finally {
            lock.unlock();  // 释放锁
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;  // 返回共享资源值
    }
}

在这个示例中，我们使用ReentrantLock来保护对count变量的访问。increment()方法使用lock()和unlock()方法来确保在修改count变量的过程中不会被其他线程干扰。getCount()方法返回当前count的值，实现了读写分离。
四、总结

ReentrantLock是Java并发编程库中的一个重要工具，它提供了一种可重入的互斥访问共享资源的方式。通过内部计数器来实现锁的占用情况的记录，同时支持公平锁和非公平锁两种策略以及可重入特性。使用ReentrantLock可以有效地避免并发访问共享资源时的线程安全问题。