Reentrant Lock与synchronized关键字比较

# 1. 介绍

在并发编程中，Reentrant Lock和synchronized关键字是两种常用的并发控制方式。它们可以用于实现线程之间的同步和互斥操作。本章节将对Reentrant Lock和synchronized关键字进行简要介绍，并探讨为什么比较它们是有益的。

### 1.1 Reentrant Lock

Reentrant Lock是Java中的一个类，它提供了一种可重入的互斥锁。可重入意味着同一个线程可以多次获得该锁，而不会造成死锁。Reentrant Lock可以通过lock()方法获得锁，并且通过unlock()方法释放锁。

### 1.2 synchronized关键字

synchronized关键字是Java中的一种内置锁机制。它可以用于方法或代码块级别的同步，保证了线程的安全性。当一个线程获得了该锁后，其他线程必须等待该线程释放锁才能继续执行。

### 1.3 目的和重要性

为什么比较Reentrant Lock和synchronized关键字是有益的呢？这是因为它们是并发编程中最常用的两种同步机制。通过比较它们的底层实现、灵活性、功能扩展性以及异常处理和超时控制等方面的特点，我们可以更好地理解它们的适用场景和优缺点。

接下来，我们将分别比较Reentrant Lock和synchronized关键字的底层实现原理以及它们在性能和效率方面的差异。

# 2. 底层实现比较
Reentrant Lock和synchronized关键字在底层实现上有很大的差异。在这一章节中，我们将比较它们的底层实现，并分析它们的性能和效率。

##### 2.1 Reentrant Lock的底层实现
Reentrant Lock是基于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）实现的。AQS是一个提供线程阻塞和唤醒机制的框架，它以FIFO队列的形式管理等待线程。Reentrant Lock使用一个同步状态（state）来表示锁的状态，通过CAS操作获取和释放锁。

以下是一个示例代码，演示了使用Reentrant Lock的基本用法：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class Example {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method() {
        lock.lock();
        try {
            // 临界区代码
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上述代码中，我们通过调用`lock()`方法获取锁，并在finally块中调用`unlock()`方法释放锁。

##### 2.2 synchronized关键字的底层实现
synchronized关键字是Java语言提供的内置锁机制。它通过对象头中的标记字（mark word）来实现锁的获取和释放。在JVM中，对象头中的字段包含了锁的信息，包括锁状态、持有锁的线程ID等。

以下是使用synchronized关键字的示例代码：

class Example {
    public synchronized void method() {
        // 临界区代码
    }
}

在上述代码中，我们将方法声明为`synchronized`，这意味着在调用该方法时，会自动获取该对象的内置锁。线程执行完临界区代码后，会自动释放锁。

##### 2.3 性能和效率比较
Reentrant Lock和synchronized关键字在性能和效率方面有所不同。

Reentrant Lock相比于synchronized关键字，具有更低的上下文切换开销。当一个线程无法获取锁时，Reentrant Lock可以将其置于等待队列中，而不是让线程进入阻塞状态。这种非阻塞的等待方式可以减少上下文切换的次数，提高了系统的吞吐量。

另外，Reentrant Lock还支持可中断的获取锁操作和超时获取锁操作，这在某些场景下非常有用。而synchronized关键字不支持这些操作，如果一个线程在等待锁时，无法被中断或者设置超时时间。

然而，Reentrant Lock相比于synchronized关键字，使用起来更加复杂一些。需要手动获取和释放锁，并且在使用锁的过程中，需要注意避免出现死锁或其他并发问题。

综上所述，如果在性能和灵活性方面更加看重，可以考虑使用Reentrant Lock。而如果是简单的并发控制需求，并且希望更加方便和易于使用，可以选择synchronized关键字。

# 3. 灵活性对比

在这一部分，我们将比较Reentrant Lock和synchronized关键字在灵活性方面的差异。灵活性指的是在不同的场景下，这两种并发控制方式是否能够灵活地满足需求，以及它们的使用方式是否灵活便利。

#### 灵活性比较

- **Reentrant Lock的灵活性**
Reentrant Lock提供了更灵活的锁定机制，可以通过多个条件变量实现更复杂的线程等待/通知机制。例如，我们可以使用`newCondition()`方法创建多个Condition对象，每个对象可以控制不同的等待/通知逻辑。这使得Reentrant Lock在某些复杂的场景下更有优势。

- **synchronized关键字的灵活性**
相比之下，synchronized关键字相对较为简单，只能通过内置的监视器锁来实现线程的等待和通知。这种方式在部分简单的情况下比较方便，但在复杂的并发控制场景下，灵活性不如Reentrant Lock。

#### 不同场景下的使用方式

- **Reentrant Lock的灵活使用方式**
Reentrant Lock适合于那些需要更复杂并发控制的场景，例如读写锁的分离、公平锁、非阻塞的尝试锁定等。在这些场景下，Reentrant Lock能够提供更灵活的方式来满足需求。

- **synchronized关键字的限制**
而synchronized关键字则更适合简单的并发控制场景，对于简单的线程同步来说更为方便。但是在复杂的场景下，就显得不够灵活。

通过对比灵活性，我们可以看出Reentrant Lock在处理复杂的并发控制场景时更为灵活，而synchronized关键字则更适合简单的线程同步操作。

# 4. 功能扩展性对比

在并发编程中，除了基本的锁功能外，我们还需要考虑锁的功能扩展性，例如读写锁、公平性等方面的支持。下面将对Reentrant Lock和synchronized关键字的功能扩展性进行对比分析。

#### Reentrant Lock的功能扩展性

Reentrant Lock提供了丰富的功能扩展性，其中主要包括以下几个方面：

1. **可中断的获取锁**

Reentrant Lock提供了可中断获取锁的功能，即在等待锁的过程中可以响应中断请求，这一点是synchronized关键字所不具备的。

   ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   try {
       lock.lockInterruptibly(); // 可中断获取锁
       // 其他操作
   } catch (InterruptedException e) {
       // 处理中断异常
   } finally {
       lock.unlock();
   }

2. **公平锁支持**

Reentrant Lock可以创建公平锁，确保锁的获取按照FIFO的顺序进行，而synchronized关键字所创建的锁则没有公平性保证。

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

3. **条件变量支持**

Reentrant Lock提供了Condition对象的支持，可以通过Condition对象实现更灵活的线程通信和协作。

   ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   Condition condition = lock.newCondition();

#### synchronized关键字的功能扩展性

相比之下，synchronized关键字的功能扩展性相对较弱，主要包括以下方面：

1. **不支持可中断的获取锁**

synchronized关键字不支持以安全的方式中断正在试图获取锁的线程。

2. **不支持公平锁**

synchronized关键字所创建的锁不具备公平性，无法保证线程按照FIFO的顺序获取锁。

3. **不支持条件变量**

synchronized关键字也不支持类似Reentrant Lock中的Condition对象，因此在使用wait()和notify()时不能实现灵活的线程通信。

通过以上对Reentrant Lock和synchronized关键字功能扩展性的对比可以看出，Reentrant Lock在功能扩展性上要优于synchronized关键字，尤其在需要更灵活的并发控制时，Reentrant Lock提供了更多的选择和支持。

下一节将进一步比较Reentrant Lock和synchronized关键字在异常处理和超时控制方面的差异。

# 5. 异常处理和超时控制

在并发编程中，异常处理和超时控制是非常重要的考虑因素。Reentrant Lock和synchronized对于异常处理和超时控制的支持有一些区别。

### 5.1 异常处理

在使用synchronized关键字时，如果一个线程在同步块中抛出了异常，那么该线程将会释放锁，并且该异常不能够被其他线程捕获。这可能导致整个应用程序进入一个不稳定的状态。因此，在使用synchronized关键字时，需要特别注意异常处理，确保同步块不会抛出异常，或者在同步块中正确处理异常。

而对于Reentrant Lock，我们可以使用try-finally代码块来实现显示的异常处理。这样，即使在锁定的代码块中发生异常，也可以在finally块中释放锁，确保锁的正确使用。

下面是一个使用Reentrant Lock进行异常处理的示例代码：

Lock lock = new ReentrantLock();
try {
    lock.lock();
    // 执行需要锁定的代码
} finally {
    lock.unlock();
}

### 5.2 超时控制

在一些特定的场景下，我们可能需要设置超时时间来避免因为某些原因导致线程一直等待锁。使用synchronized关键字时，并没有提供内置的超时控制机制。

而Reentrant Lock则提供了`tryLock(long time, TimeUnit unit)`方法来实现超时控制。这个方法会尝试获取锁，在指定的时间内如果没有获取到锁则返回false，可以避免线程一直等待。

下面是一个使用Reentrant Lock进行超时控制的示例代码：

Lock lock = new ReentrantLock();
try {
    if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
        // 执行需要锁定的代码
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理异常情况
} finally {
    lock.unlock();
}

以上示例代码中，`tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)`会在5秒内尝试获取锁，如果获取到了锁则执行相应的代码，否则继续执行其他操作。

综上所述，Reentrant Lock相比于synchronized关键字在异常处理和超时控制方面更加灵活和可控。在特定的场景下，使用Reentrant Lock可以更好地应对异常和超时情况。

下一章节，我们将根据前面的比较分析给出最佳实践和选择建议。

# 6. 最佳实践和选择建议

根据前面的比较分析，以下是在不同情景下的最佳选择建议：

1. **如果只是简单的互斥访问**：在互斥访问且没有复杂需求的情况下，优先选择`synchronized`关键字。它是Java语言内置的关键字，使用起来更加方便和直观。

2. **如果需要更高级的特性**：如果需要更多功能和灵活性，可以选择`ReentrantLock`。它提供了更多高级特性，如可中断的锁、可轮询的锁、公平锁等。

3. **性能要求较高**：在性能要求较高的场景下，`ReentrantLock`通常比`synchronized`更好。因为`synchronized`是在JVM层面实现的，而`ReentrantLock`是基于底层的`Lock`接口实现的，可以更灵活地控制锁。

4. **需要灵活的等待和通知机制**：如果需要灵活地等待和通知线程，可以选择`ReentrantLock`。它提供了`Condition`对象，可以精确控制线程的等待和唤醒。

5. **并发量较小**：在并发量较小（例如少于10个线程）的情况下，`synchronized`关键字可以满足需求，并且使用起来更加简单。

6. **并发量较大**：如果需要处理大量并发线程，`ReentrantLock`的性能更好，可以更好地控制并发的情况，避免死锁和饥饿等问题。

在实际应用中，我们需要根据具体需求和场景选择合适的并发控制方式。可以综合考虑性能、灵活性、功能扩展性以及代码的可读性和维护性等因素。