Java进阶篇--公平锁非公平锁

ReentrantLock的介绍

重入性的实现原理

代码示例：

公平锁与非公平锁

代码示例：

ReentrantLock的介绍

ReentrantLock是Java中实现Lock接口的一种重入锁（Reentrant Lock）实现类。它提供了与synchronized关键字相似的功能（在java关键字synchronized隐式支持重入性，synchronized通过获取自增，释放自减的方式实现重入），但比synchronized更加灵活和强大。ReentrantLock可以用于实现多线程之间的互斥访问和同步操作。

下面是ReentrantLock主要的特点和用法介绍：

1、可重入性：
ReentrantLock允许同一个线程多次获取同一把锁，而不会发生死锁。这种特性叫做可重入性，也就是可重入锁。当一个线程已经持有锁时，再次获取锁时会增加锁的计数器，每次释放锁时计数器减一，只有当计数器为0时锁才会完全释放。

2、获取锁的方式：
通过调用ReentrantLock的lock()方法可以获取锁，如果锁已被其他线程获取，则当前线程会被阻塞，直到获取到锁为止。另外，ReentrantLock还提供了tryLock()方法，该方法尝试立即获取锁，如果锁未被其他线程获取，则返回true，否则返回false。tryLock()方法也可以设置超时时间，指定在一段时间内尝试获取锁。

3、线程阻塞与唤醒：
与synchronized不同，ReentrantLock提供了显示的线程挂起和恢复的能力。通过调用lock()方法后，如果锁已被其他线程占用，则当前线程会进入休眠状态，直到获取锁成功。当不再需要锁时，需要调用unlock()方法显式地释放锁，以唤醒其他等待线程。

4、锁的公平性：
ReentrantLock支持公平锁和非公平锁。可以在创建ReentrantLock对象时指定构造函数参数来设置锁的公平性。默认情况下，ReentrantLock是非公平锁。

5、条件变量：
与ReentrantLock配套使用的还有条件变量（Condition），可以通过ReentrantLock的newCondition()方法创建一个特定的条件变量。条件变量可以使线程在某个条件满足时等待，或者唤醒等待在该条件上的线程。

总结：
ReentrantLock是Java提供的一种可重入的高级锁实现，相比synchronized关键字更加灵活，并提供了更多功能，如可控的锁公平性、显示的线程挂起和恢复、超时锁等等。在多线程编程中，使用ReentrantLock可以更好地控制资源的访问和线程的同步。。

那么，要想完完全全的弄懂ReentrantLock的话，主要也就是ReentrantLock同步语义的学习：1. 重入性的实现原理；2. 公平锁和非公平锁。

重入性的实现原理

ReentrantLock支持重入性的实现是通过在锁对象上维护一个计数器来实现的。

在Java中，每个线程都拥有自己的线程栈（Thread Stack）。如果一个方法被调用，那么就会在线程栈上分配一段空间，这段空间被称为栈帧（Stack Frame）。当一个方法被另一个方法调用时，就会在栈上分配另一个栈帧，这就形成了方法调用链。

在ReentrantLock中，每个线程都有一个变量叫做"holdCount"，表示该线程目前获取锁的次数。当一个线程第一次获取锁时，holdCount的值为1；如果再次获取锁，则holdCount递增，以此类推。当这个线程释放锁时，holdCount递减。只有当holdCount的值为0时，锁才真正释放。

也就是说，ReentrantLock对于每个线程来说，维护了一个独立的计数器。当一个线程试图获取锁时，首先判断当前线程是否已经获取了该锁，如果已经获取，则直接返回true；如果未获取，则需要尝试获取锁。当该线程成功获取锁时，holdCount递增，表示当前线程又多获取了一次该锁。当该线程释放锁时，holdCount递减，表示当前线程又释放了一次该锁。只有当holdCount的值为0时，锁才会真正释放。

总结一下：在ReentrantLock中，通过为每个线程维护一个计数器（即holdCount）来实现重入性。当一个线程多次获取锁时，计数器递增；每次释放锁时，计数器相应地递减。只有当计数器为0时，锁才完全释放，其他线程才能获取该锁。这种机制可以避免死锁和线程饥饿等问题，是一种非常有效的并发控制手段。

代码示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Main {private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private double balance;public Main(double initialBalance) {balance = initialBalance;}// 存款public void deposit(double amount) {lock.lock(); // 获取锁try {balance += amount; // 更新余额System.out.println("存款成功，当前余额为：" + balance);} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}// 取款public void withdraw(double amount) {lock.lock(); // 获取锁try {if (balance >= amount) {balance -= amount; // 更新余额System.out.println("取款成功，当前余额为：" + balance);} else {System.out.println("余额不足");}} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}public static void main(String[] args) {Main account = new Main(1000.0);// 创建两个线程模拟两个用户进行存款和取款操作Thread depositThread = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {account.deposit(100.0);}});Thread withdrawThread = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {account.withdraw(200.0);}});depositThread.start();withdrawThread.start();}
}

在这个例子中，我们模拟了一个银行账户，通过使用ReentrantLock实现对余额的线程安全操作。在存款和取款方法中，我们都先获取锁，执行相应的操作，然后释放锁。

在主函数中，我们创建了两个线程，一个用于模拟存款操作，另一个用于模拟取款操作。每个线程都执行5次操作。通过使用ReentrantLock，我们确保了每次存款或取款操作是原子的，不会发生并发访问的问题。同时，由于ReentrantLock支持重入性，所以同一个线程可以多次获取锁，这也是允许的。

公平锁与非公平锁

公平锁和非公平锁是ReentrantLock（可重入锁）中的两种获取锁的策略。

公平锁在多线程竞争下，按照线程的请求顺序来获取锁，保证了请求资源时间上的绝对顺序。当一个线程释放锁后，同步队列中的第一个等待线程会获取到锁，其他线程按照先来后到的顺序依次获取锁。公平锁可以避免线程的饥饿现象，但可能因为频繁的上下文切换而降低系统的吞吐量。
非公平锁在多线程竞争下，不保证线程获取锁的顺序。当一个线程释放锁后，新的线程有机会直接获取到锁，即使其他线程在等待获取锁。非公平锁的实现较为简单高效，可以减少上下文切换的次数，提高系统的吞吐量。但是，某些线程可能会长时间等待，造成其他线程一直获取锁的情况。

ReentrantLock默认是非公平锁，因为在大多数情况下，非公平锁性能更好。如果需要创建公平锁，可以通过构造函数参数传入true，创建一个公平锁的实例：

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 创建公平锁
//注意：使用ReentrantLock类创建非公平锁时，不需要传入参数或者传入false

需要注意的是，公平锁会增加一定的上下文切换次数，适用于对线程获取锁的顺序有严格要求的场景，而非公平锁适用于追求更高吞吐量的场景。

总结：

公平锁按照线程申请锁的顺序获取锁，避免线程饥饿，但可能会引起较大的开销。
非公平锁没有严格的获取顺序，可能会导致后申请的线程先获取锁，但能够获得更高的吞吐量。

在实际应用中，选择公平锁还是非公平锁取决于具体的场景和需求。一般来说，在线程竞争激烈的情况下，非公平锁可能更适合，可以提升系统性能。

代码示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Main {private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);  // 创建公平锁private static ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(false);  // 创建非公平锁public static void main(String[] args) {// 公平锁示例Thread fairThread1 = new Thread(() -> {fairLock.lock();  // 获取公平锁try {System.out.println("公平锁 - 线程1获取到锁");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {fairLock.unlock();  // 释放公平锁System.out.println("公平锁 - 线程1 释放公平锁");}});Thread fairThread2 = new Thread(() -> {fairLock.lock();  // 获取公平锁try {System.out.println("公平锁 - 线程2获取到锁");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {fairLock.unlock();  // 释放公平锁System.out.println("公平锁 - 线程2 释放公平锁");}});// 非公平锁示例Thread nonFairThread1 = new Thread(() -> {nonFairLock.lock();  // 获取非公平锁try {System.out.println("非公平锁 - 线程1获取到锁");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {nonFairLock.unlock();  // 释放非公平锁System.out.println("非公平锁 - 线程1 释放非公平锁");}});Thread nonFairThread2 = new Thread(() -> {nonFairLock.lock();  // 获取非公平锁try {System.out.println("非公平锁 - 线程2获取到锁");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {nonFairLock.unlock();  // 释放非公平锁System.out.println("非公平锁 - 线程2 释放非公平锁");}});fairThread1.start();fairThread2.start();nonFairThread1.start();nonFairThread2.start();}
}

在上述示例中，我们创建了一个公平锁（fairLock）和一个非公平锁（nonFairLock），然后创建了两个线程来演示这两种锁的行为。

对于公平锁，我们创建了两个线程（fairThread1和fairThread2），它们按照先来后到的顺序获取锁。由于是公平锁，fairThread1首先获取到锁，然后才轮到fairThread2获取锁。
对于非公平锁，我们创建了两个线程（nonFairThread1和nonFairThread2），它们竞争获取锁。由于是非公平锁，在某些情况下，刚释放锁的线程有机会再次获取锁，因此可能会导致其他线程长时间等待。

通过运行上述代码，我们可以观察到公平锁和非公平锁的不同行为。请注意，输出结果可能因操作系统调度而有所差异，但公平锁会按照线程的请求顺序获取锁，而非公平锁则不保证顺序。