同步与锁机制：Java中的并发控制

# 1. 并发与多线程编程基础

### 1.1 什么是并发编程？

并发编程是指在计算机系统中，多个独立的任务（线程或进程）同时进行，共享系统资源，并能够独立运行、交互通信的一种编程模式。它可以充分利用多核处理器和计算机资源，提升系统的性能和效率。

### 1.2 Java中的线程基础

在Java中，线程是实现并发编程的基本单位。通过创建线程，可以让程序同时执行多个任务，实现并行处理。

Java中的线程可以通过两种方式创建：继承Thread类或实现Runnable接口。使用Thread类创建线程虽然简单，但继承关系限制了线程的复用性。使用Runnable接口创建线程可以更好地实现解耦，提高代码的可维护性。

### 1.3 并发编程带来的挑战

并发编程虽然可以提升系统性能，但也带来了一系列挑战，包括线程安全性、死锁、活锁、竞态条件等问题。这些问题可能导致程序的不确定行为、数据一致性问题甚至系统崩溃。

为了解决并发编程带来的挑战，Java提供了同步机制和锁机制，用于控制线程的执行和资源的访问。在接下来的章节中，我们将详细介绍Java中的同步与锁机制。

# 2. Java中的同步机制

Java中的同步机制是一种用于控制多线程并发访问共享资源的机制。在多线程环境下，如果多个线程同时访问共享资源，可能会导致数据不一致或者错误的结果。因此，需要使用同步机制来确保线程安全的访问共享资源。

### 2.1 同步机制的概念与原理

同步机制的目标是要保证访问共享资源的线程互斥地执行，并且保证线程之间的操作具有可见性。在Java中，同步机制是通过以下两个原则来实现的：

- 互斥访问：同一时刻，只有一个线程可以访问共享资源，其他线程需要等待。
- 可见性保证：对于一个共享变量的修改，其它线程应该能够立即看到修改后的值。

### 2.2 Java中的同步关键字（synchronized）

Java中的synchronized关键字可以用来修饰方法或者代码块，实现同步访问共享资源的效果。

#### 2.2.1 同步方法

当一个方法被synchronized修饰时，意味着该方法在同一时间只能被一个线程访问。其他试图访问该方法的线程将会被阻塞，直到锁被释放。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步代码块的操作
}

#### 2.2.2 同步块

除了修饰整个方法，我们还可以使用synchronized关键字来修饰代码块，只锁定指定的代码块，而不是整个方法。

public void someMethod() {
    // 非同步代码块

    synchronized (this) {
        // 同步代码块
    }

    // 非同步代码块
}

### 2.3 同步方法与同步块的区别与适用场景

- 同步方法适用于整个方法都需要同步的情况，简单方便。
- 同步块可以更加灵活地控制需要同步的代码范围，可以减小同步的粒度，提高程序的性能。

一般来说，推荐使用同步块来控制共享资源的访问，因为同步方法会锁定整个方法，可能会造成不必要的等待。

以上是Java中的同步机制的介绍，可以有效地确保多线程对共享资源的安全访问。下一章节将介绍Java中的锁机制，更加灵活地实现并发控制。

# 3. Java中的锁机制

并发编程中，锁起着至关重要的作用，用于控制对共享资源的访问，保证线程安全和数据一致性。在Java中，锁机制主要通过Lock接口和ReentrantLock类来实现。本章将深入探讨Java中的锁机制，包括锁的基本概念、Lock接口与ReentrantLock类的使用，以及锁的性能比较及选择。

#### 3.1 锁的基本概念

锁是多线程环境下用来控制对共享资源访问的机制，它可以防止多个线程同时访问共享资源，从而避免数据的不一致性和线程安全问题。在Java中，主要有两种锁的概念：悲观锁和乐观锁。

- **悲观锁**：悲观锁的思想是假设在并发情况下会产生冲突，因此在访问共享资源之前先加锁，等操作完成再释放锁，保证同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。

- **乐观锁**：乐观锁的思想是认为在并发情况下冲突的概率很低，因此先不加锁，等到提交操作时再去判断是否发生冲突，如果没有冲突则提交成功，否则进行回滚重试。

#### 3.2 Java中的Lock接口与ReentrantLock类

Java提供了Lock接口和ReentrantLock类来实现锁机制。与传统的synchronized方式相比，Lock接口及其实现类提供了更灵活的锁定方式，包括可重入性、公平性选择等。

示例代码：

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

public class LockExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void doSomething() {
        lock.lock();
        try {
            // 需要