深入JVM锁机制之二：Lock("详解JVM锁机制（二）：深入探索Lock原理与应用")

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ithorizon 6个月前 (10-20) 阅读数 31 #后端开发

详解JVM锁机制（二）：深入探索Lock原理与应用

一、概述

在Java并发编程中，锁机制是保证线程可靠的重要手段。Java提供了多种锁机制，如synchronized、ReentrantLock等。本文将重点介绍Lock锁的原理和应用，帮助读者深入明白其在JVM中的实现。

二、Lock接口

Lock接口是Java并发包（java.util.concurrent）中提供的一种锁机制。Lock接口提供了比synchronized更多彩的功能，如可中断的锁获取、公平锁和非公平锁等。

三、Lock的实现原理

Lock接口的实现类有很多，如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等。本文以ReentrantLock为例，介绍Lock的实现原理。

3.1 锁的获取与释放

ReentrantLock通过内部类Sync实现锁的获取与释放。Sync继承自AbstractQueuedSynchronizer（AQS），AQS是Java并发框架的核心类，用于实现自定义的同步器。


public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
}

ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁两种实现。NonfairSync为非公平锁的实现，FairSync为公平锁的实现。lock()方法会调用Sync的acquire()方法，而unlock()方法会调用Sync的release()方法。

3.2 AQS原理

AQS是Java并发框架的核心类，它提供了同步器的基本实现。AQS内部维护了一个双向链表，用于存储等待获取锁的线程。AQS的核心方法是acquire()和release()。


public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private transient volatile int state;
    protected final int getState() {
        return state;
    }
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }
}

Node是AQS内部类，即双向链表中的节点。每个节点存储了等待线程的信息。


static final class Node {
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
}

acquire()方法会尝试获取锁，如果获取落败，则将当前线程封装成Node节点加入双向链表，并挂起当前线程。release()方法会释放锁，并唤醒下一个等待的线程。

四、Lock的应用

Lock接口在Java并发编程中应用广泛，以下是一些常见的使用场景。

4.1 线程同步

Lock可以用于实现线程同步，确保多个线程按照一定的顺序执行。


public class LockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    public void method1() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行同步代码块
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4.2 条件变量

Lock接口提供了Condition接口，用于实现条件变量。Condition可以用于线程间的协作，如生产者-消费者模式。


public class ConditionExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    public void method1() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行同步代码块
            condition.await(); // 等待
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void method2() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行同步代码块
            condition.signal(); // 通知
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4.3 读写锁

读写锁（ReadWriteLock）是一种特殊的锁，允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。Java提供了ReentrantReadWriteLock实现读写锁。


public class ReadWriteLockExample {
    private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    private final Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
    public void read() {
        readLock.lock();
        try {
            // 执行读操作
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
    public void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            // 执行写操作
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}