Lock接口

難釋懷
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java.util.concurrent.locks.Lock 接口是Java并发包中的一部分，它提供了比内置锁（即 synchronized 关键字）更灵活和强大的锁机制。通过使用 Lock 接口及其相关实现类，开发者可以获得更多的功能选项来控制线程间的同步行为，例如可中断的锁等待、超时获取锁、公平锁等。这些特性使得 Lock 在某些特定场景下更加适合用于并发编程。

为什么需要Lock接口？

尽管 synchronized 是一种简单而有效的同步手段，但它也有一些局限性：

  • 缺乏灵活性：无法指定是否等待获取锁的时间限制，也不能被中断。
  • 单一入口/出口：一旦进入同步块或方法，必须等到退出后才能释放锁；不能在代码中间释放锁再重新获取。
  • 没有尝试加锁的功能：如果不想阻塞当前线程直到获得锁，则没有直接的方法可以做到这一点。
  • 不支持公平性：多个线程竞争同一个锁时，不能保证按照请求顺序依次获得锁。

为了解决上述问题，并提供更加丰富的功能，Java引入了 Lock 接口以及它的几种常见实现方式。

Lock接口的主要方法

Lock 接口定义了一系列用于管理和操作锁的方法，主要包括以下几个方面：

锁操作

  • void lock() ：获取锁。如果锁已被其他线程占用，则当前线程将被阻塞，直到该锁可用为止。
  • void unlock() ：释放锁。只有当调用此方法的线程拥有这个锁时才有效果，否则可能会抛出异常。
  • void lockInterruptibly() throws InterruptedException：与 lock() 类似，但是在等待过程中允许被中断。如果线程正在等待锁并且收到了中断信号，则会抛出 InterruptedException 并返回。
  • boolean tryLock() ：尝试非阻塞地获取锁。如果立即可用，则成功并返回 true；否则失败并返回 false。
  • boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：尝试在指定时间内获取锁。如果在此期间内成功获取到锁，则返回 true；若超时仍未获得，则返回 false。同样地，等待期间也可以被中断。

条件变量（Condition）

除了基本的锁操作外，Lock 接口还支持条件变量的概念，这类似于传统的对象监视器中的 wait() 和 notify() 方法。每个 Lock 实例都可以关联一个或多个 Condition 对象，它们允许线程以更加细粒度的方式进行协调。

  • Condition newCondition() ：创建一个新的条件实例，与当前锁绑定在一起。

Lock接口的实现类

Java 提供了几种常用的 Lock 接口实现，每种都有其特点和适用场景：

ReentrantLock

ReentrantLock 是最常用的 Lock 实现之一，它实现了可重入锁，这意味着持有锁的线程可以在不释放现有锁的情况下再次获取相同的锁。此外，ReentrantLock 还提供了两种构造函数形式：默认情况下是非公平锁，但也可以创建公平锁，确保线程按照请求锁的顺序依次获得锁。

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

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

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保无论发生什么都释放锁
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

ReadWriteLock

ReadWriteLock 接口表示读写锁，它允许多个读线程同时访问共享资源，但在有写线程时禁止所有其他线程（包括读和写）。这种锁非常适合于读多写少的应用场景，因为它能提高并发性能。

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Cache<K, V> {
    private final Map<K, V> map = new HashMap<>();
    private final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public V get(K key) {
        rwl.readLock().lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }

    public void put(K key, V value) {
        rwl.writeLock().lock();
        try {
            map.put(key, value);
        } finally {
            rwl.writeLock().unlock();
        }
    }
}

StampedLock

StampedLock 是 Java 8 引入的一种高性能的读写锁实现，它不仅支持传统的读锁和写锁，还增加了乐观读锁的功能。乐观读锁假设在读取数据的过程中不会发生修改，因此不需要实际锁定资源，只有当检测到冲突时才会回退并采用悲观策略。这种方式可以在一定程度上减少争用，提升吞吐量。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double deltaY) { 
        long stamp = sl.writeLock();
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    double distanceFromOrigin() { 
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        double currentX = x, currentY = y;
        if (!sl.validate(stamp)) {
            stamp = sl.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

使用Lock接口的优势

  1. 更多功能选项：如前所述，Lock 接口提供的方法比 synchronized 更加丰富，能够满足不同的需求。
  2. 更好的性能表现：对于某些类型的锁（如读写锁），Lock 可以显著提高并发性能。
  3. 清晰的语义表达：显式地获取和释放锁的操作让代码意图更加明确，便于理解和维护。
  4. 易于扩展：基于接口的设计使得我们可以很容易地替换不同类型的锁实现，或者自定义新的锁行为。

注意事项

虽然 Lock 接口带来了诸多好处，但在实际应用中也需要注意以下几点：

  • 确保总是释放锁：无论是否发生异常，都应当保证最终会调用 unlock() 方法释放锁，以免造成死锁或其他不可预测的行为。通常建议使用 try-finally 或者 Java 7+ 的 try-with-resources 语法来保证这一点。
  • 避免长时间持有锁：尽量缩短持有锁的时间，尤其是写锁，以减少对其他线程的影响。
  • 理解锁的开销：尽管 Lock 接口提供了额外的功能，但同时也可能带来一定的性能损失。因此，在选择使用哪种同步机制时要权衡利弊。

结语

感谢您的阅读！如果您对 Lock 接口或其他 Java 并发编程话题有任何疑问或见解，欢迎继续探讨。

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