Java多线程之深入理解ReentrantLock

介绍

在Java中，多线程是一项非常重要的编程技能。但是多线程编程中，锁的使用和性能调优一直是让人头痛的问题。为了解决锁的问题，Java提供了许多种不同的锁，其中之一就是 ReentrantLock。

在本文中，我们将深入探讨 ReentrantLock 的使用，包括：

1. 何时需要使用 ReentrantLock；
2. 如何使用 ReentrantLock；
3. ReentrantLock 和 synchronized 关键字的比较；
4. ReentrantLock 的高级用法和性能优化。

何时需要使用ReentrantLock

在Java中，如果多个线程同时访问共享资源，那么就可能产生竞态条件（race condition），导致程序出现问题。为了解决这个问题，我们需要使用锁来保护共享资源，以限制只有一个线程可以访问该资源。

Java的内置锁（synchronized关键字）是最常用的锁，但是它有一些缺点：

1. 如果一个线程进入了一个synchronized代码块，而另一个线程又想访问这个代码块，那么它就必须等待，直到第一个线程释放锁才能继续执行。这种等待会浪费CPU资源。
2. 如果一个线程在执行synchronized代码块时发生异常，那么JVM会自动释放该线程获得的锁。但是，这可能导致其他线程访问共享资源的不一致性。

对于这些问题， ReentrantLock 提供了一些额外的特性，使得它可以更好地处理多线程的竞争条件。

如何使用ReentrantLock

下面是一个使用 ReentrantLock 的简单例子：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MyRunnable implements Runnable {

    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int count;

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count++;
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 MyRunnable 类，它实现了 Runnable 接口，并使用 ReentrantLock 对 count 变量进行加锁。在 run 方法中，我们使用 try-finally 语句块来确保在完成工作后释放锁。在 MyRunnable 类中还有一个 getCount 方法，该方法用于获取 count 的值。

下面是如何在主方法中使用 MyRunnable 类：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();

    Thread thread1 = new Thread(myRunnable);
    Thread thread2 = new Thread(myRunnable);

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

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

    System.out.println(myRunnable.getCount());
}

在这个例子中，我们创建了两个线程，它们都使用同一个 MyRunnable 实例作为 Runnable 对象，这意味着它们会同时对 count 变量进行修改。我们使用 start 方法开始这两个线程并使用 join 等待它们执行完毕，最后打印 count 的值。

ReentrantLock和synchronized关键字的比较

synchronized 关键字是Java中最常用的锁。虽然 ReentrantLock 提供了更多的特性，但在大多数情况下，synchronized 关键字就已经足够了。以下是 ReentrantLock 和 synchronized 的比较：

1. 可重入性： ReentrantLock 是可重入的，一个线程可以多次获得同一个锁，而 synchronized 也是可重入的；
2. 中断响应： ReentrantLock 允许我们在等待锁的过程中中断线程，而 synchronized 却不支持这个特性；
3. 公平性： ReentrantLock 和 synchronized 都可以对竞争的线程进行等待队列排序（公平锁），但是 ReentrantLock 可以通过构造函数选择是否是公平锁，而 synchronized 只支持非公平锁；
4. 性能：在低竞争情况下， synchronized 的性能要比 ReentrantLock 好；而在高竞争情况下， ReentrantLock 的性能要比 synchronized 好。

ReentrantLock的高级用法和性能优化

除了上述功能外， ReentrantLock 还提供了许多高级用法和性能优化，例如：

1. tryLock 方法：该方法尝试获取锁，如果没有其他线程持有该锁，就可以获取锁并立即返回true，否则就返回false；
2. lockInterruptibly 方法：该方法尝试获取锁，如果没有其他线程持有该锁，就可以获取锁并立即返回true；如果其他线程持有该锁，则当前线程进入等待状态，直到获取锁或者被中断；
3. Condition 接口：该接口提供了更加灵活的线程等待机制，例如等待某个状态的变化、等待超时、等待中断等。

这些高级用法可以帮助我们更好地控制多线程程序的执行，以及提高程序的性能。

示例说明

下面是一个使用 ReentrantLock 进行加锁的示例，假设我们要模拟银行取钱的过程，多个用户同时访问同一个银行账户，取款的金额必须是已经存在于账户余额中的金额，否则就不能取款：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BankAccount {

    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private int balance;

    public BankAccount(int balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public void withdraw(int amount) {
        lock.lock();
        try {
            if (amount > balance) {
                System.out.println("Can't withdraw " + amount + ". Balance is only " + balance);
            } else {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(500)); //模拟取款的时间
                balance -= amount;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " withdrew " + amount + ", balance is now " + balance);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getBalance() {
        return balance;
    }
}

在 BankAccount 类中，我们使用了 ReentrantLock 对 withdraw 方法进行加锁，以确保多个线程同时对账户进行取款时，只有一个线程可以访问该方法。

下面是如何在主方法中模拟多个用户对银行账户进行取款的过程：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    BankAccount account = new BankAccount(10000);

    Runnable withdrawTask = () -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            account.withdraw(1000);
        }
    };

    Thread t1 = new Thread(withdrawTask, "User1");
    Thread t2 = new Thread(withdrawTask, "User2");

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    System.out.println("Final balance: " + account.getBalance());
}

在这个例子中，我们创建了两个线程（User1 和 User2）对银行账户进行取款操作，每个线程都会尝试取款10次，每次取款1000元。我们使用 Thread.sleep() 方法模拟每次取款可能需要的时间，以及其他线程等待的时间。

总结

在多线程编程中，锁的使用和性能调优一直是让人头痛的问题。Java的内置锁（synchronized关键字）是最常用的锁，但是它有一些缺点。为了解决这些问题，Java提供了许多种不同的锁，其中之一就是ReentrantLock。通过本文的介绍，相信你已经对ReentrantLock有了更加深入的理解。