浅谈Java并发中ReentrantLock锁应该怎么用

当我们需要在并发环境下保证数据的正确性时，可以使用Java中的锁来达到目的。其中ReentrantLock是一种可重入锁，也就是说，它可以被同一个线程重复获取，防止了死锁的发生。但是，ReentrantLock的正确使用也需要一些细节上的注意，下面详细讲解一下ReentrantLock在Java并发编程中的应用。

一、ReentrantLock的常规使用方法

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
  // 对共享资源进行操作
}
finally {
  lock.unlock();
}

首先，在使用ReentrantLock时我们需要初始化一个ReentrantLock对象。在需要对共享资源进行操作时，我们需要先获取锁，对共享资源进行操作后再释放锁。这里使用了try-finally代码块的形式，这是为了保证锁一定会被释放，即便在对共享资源进行操作时出现了异常。

二、ReentrantLock的高级应用方法

1. 限时获取锁

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
if (lock.tryLock(1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) { // 在1秒钟之内尝试获取锁
  try {
    // 对共享资源进行操作
  }
  finally {
    lock.unlock();
  }
}
else {
  // 获取锁失败
}

在某些情况下，我们可能不能无限期地等待获取锁，而是需要在一定时间内尝试获取锁，如果在规定时间内未获取到锁则放弃，防止线程长时间阻塞。tryLock方法提供了这种功能，time参数指定了等待时间单位，timeout参数指定了等待时间的长度。

2. 公平锁

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 创建公平锁

默认情况下，ReentrantLock使用非公平锁，即所有线程都有机会获取锁，无论该线程是否比其它线程更早请求获取锁。而公平锁则更加合理地分配了锁的获取顺序，先请求的线程先获取锁，保证了锁的公平性。

三、示例说明

1. 生产者消费者问题

在生产者消费者问题中，生产者和消费者共享同一个队列作为缓冲区。使用ReentrantLock可以很方便地保证生产者和消费者的同步。

public class ProducerConsumer {
  private static LinkedList<Integer> buffer = new LinkedList<>();
  private static final int MAX_CAPACITY = 10;
  private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  private static Condition notFull = lock.newCondition();
  private static Condition notEmpty = lock.newCondition();

  public static void main(String[] args) {
    new Thread(new Producer()).start();
    new Thread(new Consumer()).start();
  }

  private static class Producer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        lock.lock();
        try {
          while (buffer.size() == MAX_CAPACITY) {
            notFull.await();
          }
          // 生产者生产一个元素，添加到队列中
          buffer.add(1);
          System.out.println("[Producer] Producing...buffer: " + buffer);
          // 唤醒所有消费者线程
          notEmpty.signalAll();
        }
        catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        finally {
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }

  private static class Consumer implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      while (true) {
        lock.lock();
        try {
          while (buffer.isEmpty()) {
            notEmpty.await();
          }
          // 消费者消费一个元素，从队列中取出
          buffer.removeFirst();
          System.out.println("[Consumer] Consuming...buffer: " + buffer);
          // 唤醒所有生产者线程
          notFull.signalAll();
        }
        catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        finally {
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }
}

在上述代码中，我们首先初始化了一个LinkedList列表作为缓冲区，并定义了一个ReentrantLock对象和两个Condition对象，notFull条件对应生产者需要等待缓冲区未满，notEmpty条件对应消费者需要等待缓冲区非空。在生产者和消费者线程中，我们首先获取锁并判断缓冲区是否满（生产者）或是否为空（消费者）。若条件不满足，则使用await方法让线程进入等待状态，释放锁。如果缓冲区非满（生产者）或非空（消费者），则对缓冲区进行操作，唤醒其它线程进行相关操作。

2. 死锁问题

在多线程编程过程中，容易出现死锁现象，即多个线程互相持有对方所需要的锁而无法继续执行。ReentrantLock可以很好地避免死锁。

public class Deadlock {
  private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
  private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

  public static void main(String[] args) {
    new Thread(new Worker1()).start();
    new Thread(new Worker2()).start();
  }

  private static class Worker1 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      lock1.lock();
      try {
        Thread.sleep(100);
        System.out.println("Worker1 acquire lock1!");
        lock2.lock();
        try {
          System.out.println("Worker1 acquire lock2!");
        }
        finally {
          lock2.unlock();
        }
      }
      catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      finally {
        lock1.unlock();
      }
    }
  }

  private static class Worker2 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      lock2.lock();
      try {
        Thread.sleep(100);
        System.out.println("Worker2 acquire lock2!");
        lock1.lock();
        try {
          System.out.println("Worker2 acquire lock1!");
        }
        finally {
          lock1.unlock();
        }
      }
      catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      finally {
        lock2.unlock();
      }
    }
  }
}

在上述代码中，我们定义了两个ReentrantLock对象lock1和lock2，并在两个线程Worker1和Worker2中对这两个锁进行操作。可以看到，Worker1首先获取了lock1锁，然后又尝试获取lock2锁。如果此时Worker2也尝试获取lock1锁，就容易产生死锁。而使用ReentrantLock的时候，我们可以设置lock2使用tryLock方法，如果在一定时间内无法获取到锁，则放弃对lock2的获取，这样可以有效避免死锁的发生。

if (lock2.tryLock(1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
  try {
    System.out.println("Worker1 acquire lock2!");
  }
  finally {
    lock2.unlock();
  }
}
else {
  System.out.println("Worker1 cannot acquire lock2!");
}

综上所述，ReentrantLock在Java并发编程中的应用十分广泛，我们可以使用它来保证并发环境下数据的正确性，也可以避免死锁和资源争用问题。