S12L21 - 多线程中的可重入锁

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掌握多线程中的可重入锁：全面指南
目录

介绍
理解多线程
共享资源的挑战
Java中的同步机制
可重入锁解释
在Java中实现ReentrantLocks

示例代码概述
逐步代码解释
程序输出


使用ReentrantLocks的最佳实践
结论
补充信息


介绍
在并发编程领域，管理对共享资源的访问对于确保数据完整性和应用程序稳定性至关重要。本电子书深入探讨了多线程中的Reentrant Locks，这是Java提供的一种复杂的同步机制，用于高效处理此类挑战。无论您是初学者还是具有基础知识的开发者，本指南将为您提供必要的见解和实用技能，以在项目中有效地实现Reentrant Locks。

理解多线程
Multithreading是现代编程中的一个基本概念，它允许多个线程在单个应用程序中并发执行。这种并行性增强了性能，尤其是在同时执行多个操作的应用程序中。然而，多个线程访问共享资源时，确保线程安全成为一个关键问题。

共享资源的挑战
当多个线程与共享变量或对象交互时，可能会发生竞争条件，导致结果不一致或意外。例如，考虑一个由多个线程递增的简单计数器变量：


问题
描述


Race Condition
多个线程同时尝试修改共享变量，导致不可预测的结果。


Data Inconsistency
共享变量的最终值在不同执行之间可能有所变化，削弱了数据的可靠性。



Java中的同步机制
Java提供了多种同步机制来管理对共享资源的访问：


机制
描述


Synchronized Methods
使用synchronized关键字只允许一个线程一次访问的方法。


Synchronized Blocks
方法内的同步代码块，提供对同步范围的更细粒度控制。


Reentrant Locks
高级锁实现，提供比synchronized方法和代码块更大的灵活性。


虽然synchronized方法简单直接，但它们缺乏灵活性，可能在复杂应用程序中导致性能瓶颈。这时，Reentrant Locks发挥作用，提供更强的控制和功能。

可重入锁解释
Reentrant Lock是一种同步机制，允许一个线程多次获取同一把锁而不会导致死锁。它在java.util.concurrent.locks包中引入，ReentrantLock相比传统的synchronized关键字具有多种优势：

公平性：可以设置以授予最长等待的线程访问权限。
可中断的锁等待：线程在等待锁时可以响应中断。
条件变量：允许线程在继续之前等待特定条件的满足。


在Java中实现ReentrantLocks
示例代码概述
让我们通过一个简单的Java程序来探索ReentrantLock的实际实现，其中两个线程递增一个共享计数器。




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Main {
    static int counter = 0;
    static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                // 锁定共享资源
                lock.lock();
                try {
                    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
                        counter++;
                    }
                } finally {
                    // 确保锁被释放
                    lock.unlock();
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                // 锁定共享资源
                lock.lock();
                try {
                    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
                        counter++;
                    }
                } finally {
                    // 确保锁被释放
                    lock.unlock();
                }
            }
        });

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

        System.out.println("Counter: " + counter);
    }
}
			
				
					
				
					1
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						import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
public class Main {
    static int counter = 0;
    static Lock lock = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                // 锁定共享资源
                lock.lock();
                try {
                    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
                        counter++;
                    }
                } finally {
                    // 确保锁被释放
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
 
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                // 锁定共享资源
                lock.lock();
                try {
                    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
                        counter++;
                    }
                } finally {
                    // 确保锁被释放
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
 
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
 
        System.out.println("Counter: " + counter);
    }
}
					
				
			
		


逐步代码解释

导入必要的类:

    



		
		
			
			
Java
			
			import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
			
				
					
				
					1
2
				
						import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
					
				
			
		



    - Lock：提供锁操作的接口。

    - ReentrantLock：Lock接口的具体实现。
  
定义共享资源:

    



		
		
			
			
Java
			
			static int counter = 0;
static Lock lock = new ReentrantLock();
			
				
					
				
					1
2
				
						static int counter = 0;
static Lock lock = new ReentrantLock();
					
				
			
		



    - counter：由线程递增的共享整数变量。

    - lock：ReentrantLock的实例，用于控制对counter的访问。
  
创建线程:

    



		
		
			
			
Java
			
			Thread thread1 = new Thread(new Runnable() { ... });
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() { ... });
			
				
					
				
					1
2
				
						Thread thread1 = new Thread(new Runnable() { ... });
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() { ... });
					
				
			
		



    - 使用Runnable接口创建了两个线程（thread1和thread2）。
  
锁定和递增:

    



		
		
			
			
Java
			
			lock.lock();
try {
    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
        counter++;
    }
} finally {
    lock.unlock();
}
			
				
					
				
					1
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8
				
						lock.lock();
try {
    for(int i = 1; i &lt;= 1000000; i++) {
        counter++;
    }
} finally {
    lock.unlock();
}
					
				
			
		



    - 每个线程在进入循环前获取锁。

    - counter递增一百万次。

    - finally块确保无论如何都释放锁，防止潜在的死锁。
  
启动和加入线程:

    



		
		
			
			
Java
			
			thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
			
				
					
				
					1
2
3
4
				
						thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
					
				
			
		



    - 启动线程并使用join()让主线程等待两个线程完成执行。
  
输出结果:

    



		
		
			
			
Java
			
			System.out.println("Counter: " + counter);
			
				
					
				
					1
				
						System.out.println("Counter: " + counter);
					
				
			
		



    - 打印counter的最终值，由于正确的同步，值应始终为2000000。
  

程序输出
运行程序后，输出将始终如下：




		
		
			
			
Java
			
			Counter: 2000000
			
				
					
				
					1
				
						Counter: 2000000
					
				
			
		


此一致性展示了ReentrantLock在防止竞争条件和确保线程安全操作方面的有效性。

使用ReentrantLocks的最佳实践
为了最大限度地发挥ReentrantLock的优势，同时避免常见的陷阱，请考虑以下最佳实践：

始终释放锁：
使用try-finally块确保即使发生异常也能释放锁。
    




		
		
			
			
Java
			
			lock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock();
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
6
				
						lock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock();
}
					
				
			
		


  
最小化锁范围：
仅锁定必要的代码部分，以减少竞争并提高性能。

谨慎使用公平锁：
虽然公平锁可以防止线程饥饿，但会带来性能损失。仅在必要时使用公平性。

避免在公开可访问的对象上加锁：
为防止外部干扰，避免在类外部可以访问的对象上使用锁。

适当处理中断：
在使用可中断锁时，确保线程处理InterruptedException以维护应用程序的稳定性。



结论
Java中的Reentrant Locks为在多线程应用程序中控制对共享资源的访问提供了强大而灵活的机制。相比传统的synchronized方法和块，ReentrantLock允许更细粒度的同步控制，提升了并发程序的性能和可靠性。通过实施最佳实践，如正确的锁获取和释放，可以最小化死锁风险并确保高效的资源管理。
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补充信息
比较ReentrantLock和Synchronized Methods


特性
ReentrantLock
Synchronized Methods


灵活性
高 - 提供如lockInterruptibly()和tryLock()等方法
有限 - 固定行为


公平性
可配置为公平
不能强制公平


性能
由于附加功能有轻微的开销
在无竞争的情况下通常更快


Condition Variables
通过newCondition()支持多个条件变量
每个对象有一个隐式条件变量


可中断性
线程在等待锁时可以被中断
无法中断等待锁的线程


何时使用ReentrantLock

当需要更多控制时，例如锁的获取和释放机制。
实现复杂同步场景时，需多个条件变量。
当公平性是优先事项时，确保线程按请求顺序获取锁。

附加资源

Java关于ReentrantLock的文档
Joshua Bloch的Effective Java
Concurrency in Practice


通过掌握Reentrant Locks，您将增强编写线程安全和高效Java应用程序的能力，为开发健壮的并发系统铺平道路。
注意：本文由AI生成。
问题	描述
Race Condition	多个线程同时尝试修改共享变量，导致不可预测的结果。
Data Inconsistency	共享变量的最终值在不同执行之间可能有所变化，削弱了数据的可靠性。
机制	描述
Synchronized Methods	使用synchronized关键字只允许一个线程一次访问的方法。
Synchronized Blocks	方法内的同步代码块，提供对同步范围的更细粒度控制。
Reentrant Locks	高级锁实现，提供比synchronized方法和代码块更大的灵活性。
特性	ReentrantLock	Synchronized Methods
灵活性	高 - 提供如lockInterruptibly()和tryLock()等方法	有限 - 固定行为
公平性	可配置为公平	不能强制公平
性能	由于附加功能有轻微的开销	在无竞争的情况下通常更快
Condition Variables	通过newCondition()支持多个条件变量	每个对象有一个隐式条件变量
可中断性	线程在等待锁时可以被中断	无法中断等待锁的线程