内置锁与显式锁的选择与对比

# 1. 引言

### 1.1 简介

在多线程编程中，保证多个线程之间的安全访问是一个重要的问题。为了解决这个问题，锁机制被广泛应用于并发编程中。锁是一种同步机制，它允许线程独占地访问临界资源，从而避免了并发访问引起的数据竞争和不确定性结果。

本文将讨论内置锁和显式锁两种常见的锁机制，分析它们的概述、优点、局限性以及适用场景，通过对比让读者能够根据需求选择适合的锁机制。

### 1.2 目的

本文的目的有两个：
1. 介绍内置锁和显式锁的概述、特性和使用场景，帮助读者理解这两种机制的基本原理和实现方式。
2. 分析内置锁和显式锁的优点、局限性以及适用场景，以便读者能够根据具体的需求选择最佳的锁机制来保证并发编程的正确性和性能。

接下来，我们将分别讨论内置锁和显式锁的概述。

# 2. 内置锁的概述

内置锁（Intrinsic Lock），也称为监视器锁（Monitor Lock）或互斥锁（Mutex Lock），是一种基于线程同步机制的锁，用于保护共享资源的访问。它是在Java中最常见的锁机制，也是最基本的一种锁。

### 定义

内置锁是一种可重入的互斥锁，它要求同一时间只能有一个线程持有该锁，其他线程必须等待。当一个线程进入由内置锁保护的代码块时，它就会获得该锁，其他线程将阻塞在锁的入口处。

在Java中，内置锁是通过`synchronized`关键字来实现的。当一个线程使用`synchronized`关键字修饰一个方法或代码块时，它就会尝试获取该对象的内置锁。

### 实现机制

内置锁的实现机制是基于对象头的概念。每个Java对象都有一个与之关联的对象头，其中包含了一些元数据和同步状态。当一个线程进入`synchronized`修饰的代码块时，它会尝试获取对象的锁，如果锁已经被其他线程持有，则阻塞等待。

内置锁采用一种非公平的获取机制，即当一个线程释放锁时，系统并不保证下一个获得锁的线程是等待时间最长的线程，这可能会导致一些线程长时间无法获取锁，从而导致线程饥饿现象。

### 使用场景

内置锁适用于简单的线程同步场景，特别是在单线程频繁访问共享资源的情况下，使用内置锁可以保证数据的一致性和线程安全。

下面是一个使用内置锁的示例代码：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

在上述代码中，`synchronized`关键字修饰的方法保证了对`count`变量的访问是线程安全的。任意时刻只能有一个线程执行这些方法，其他线程必须等待锁的释放。

内置锁的使用相对简单，但也存在一些局限性，下一章节将对其进行详细说明。

# 3. 内置锁的优点

内置锁是Java中最常用的锁机制之一。它具有以下几个优点：

- 简单易用：内置锁的使用非常简单，只需要使用`synchronized`关键字修饰需要加锁的代码块或方法即可。这种简单易用的特性使得内置锁在日常开发中被广泛采用。

- 资源开销较小：内置锁是基于悲观锁的实现，它使用了操作系统提供的底层同步原语（如互斥量、信号量）来实现线程之间的互斥访问。相比较其他锁机制，内置锁的资源开销较小，使得在并发场景下能够保持较好的性能。

- 线程调度优化：内置锁是可重入锁，当一个线程多次获取锁时，不会发生死锁。在多线程环境下，如果一个线程已经获取了锁，其他线程就需要等待。内置锁可以根据线程的优先级和等待时间来进行合理的线程调度，保证高优先级的线程能够尽快获取到锁。这种线程调度优化能够提高程序的响应速度和并发性能。

总之，内置锁是一种简单易用、资源开销较小、线程调度优化的锁机制，适用于大部分并发场景。然而，内置锁也存在一些局限性，接下来的章节我们将讨论这些局限性以及如何使用显式锁来解决这些问题。

# 4. 内置锁的局限性

内置锁虽然简单易用，但也存在一些局限性，下面我们将介绍几个主要的问题。

### 4.1 线程饥饿

在使用内置锁的过程中，可能出现某个线程一直无法获取到锁的情况，导致该线程一直处于等待状态，无法执行。这种情况被称为线程饥饿（Thread Starvation）。线程饥饿可能导致性能下降和资源浪费的问题。

### 4.2 可重入性问题

内置锁是一个互斥锁（Mutex），在同一个线程中，多次对同一个锁进行加锁操作是允许的，这被称为可重入性。但是，如果在一个线程中对同一个锁进行多次解锁操作，会导致程序异常。这是因为内置锁的计数器只能在加锁和解锁之间进行增减操作。

public class ReentrantExample {

    private final Object lock = new Object();

    public void method1() {
        synchronized (lock) {
            System.out.println("method1");
            method2();
        }
    }

    public void method2() {
        synchronized (lock) {
            System.out.println("method2");
        }
    }
}

在上述示例中，我们定义了一个可重入的锁，method1方法中调用了method2方法，这是允许的。但是如果我们在method2方法中再次对同一个锁进行解锁操作，就会抛出`IllegalMonitorStateException`异常。

### 4.3 无法响应中断

内置锁并没有提供直接的中断支持，一旦一个线程获取到锁并进入等待状态，其他线程无法通过中断操作使得该线程立即停止等待。这在一些场景下可能带来问题，例如等待网络请求的线程无法通过中断操作停止等待，而需要等待超时。

因此，在涉及到需要能够响应中断的场景时，内置锁可能不是最佳的选择。在这种情况下，我们可以考虑使用显式锁（Explicit Lock），它具备响应中断的能力。

综上所述，虽然内置锁简单易用，但在复杂的多线程场景中可能存在一些局限性。下一章我们将介绍显式锁的概述和优点。

# 5. 显式锁的概述

在本节中，我们将详细介绍显式锁的概念、实现机制和使用场景。显式锁是一种高级的锁机制，提供了比内置锁更灵活的控制，可以有效解决内置锁的一些局限性。

#### 定义

显式锁是在编程语言中提供的一种手动控制的锁机制，程序员需要显式地对锁进行加锁和解锁操作。在Java中，常见的显式锁包括ReentrantLock和ReadWriteLock；在Python中，可以使用threading模块中的Lock对象；在Go中，可以使用sync包中的Mutex对象；在JavaScript中，可以使用ES6的Promise对象或者async/await来实现显式的锁机制。

#### 实现机制

显式锁的实现机制通常是基于底层的原子操作和线程调度的方式，确保在加锁和解锁过程中能够提供更灵活的控制，同时保证线程安全和避免死锁等问题的发生。

#### 使用场景

显式锁适用于对锁的粒度有更高要求的场景，例如需要手动控制锁的获取和释放顺序、需要实现特定的锁策略、需要支持可重入性、需要支持锁的条件等待等复杂场景。在并发编程中，显式锁可以解决内置锁无法满足的一些特定需求，提供了更灵活的选择。

在下一节中，我们将进一步探讨显式锁与内置锁的优点和对比，以及显式锁的使用优势。

# 6. 显式锁的优点与对比

在前面的章节中，我们已经介绍了内置锁的概述、优点和局限性。接下来，我们将重点关注显式锁，并探讨其优点和与内置锁的对比。

### 灵活性强

相比内置锁，显式锁提供了更多的灵活性。显式锁不仅可以实现简单的互斥访问，还可以支持更复杂的同步操作，比如读写锁、条件变量、可重入锁等。这使得显式锁可以更好地满足不同场景下的需求。

### 可以解决内置锁的局限性

内置锁存在一些局限性，比如无法响应中断、可能导致线程饥饿等问题。而显式锁可以通过合适的使用方式来解决这些问题，比如使用`ReentrantLock`可以解决内置锁的不可重入性问题，使用`Condition`可以实现更灵活的线程等待与通知机制。

### 适用于复杂场景

在一些复杂的同步场景下，显式锁往往可以提供更好的支持。比如需要实现自定义的线程调度策略、实现特定的同步逻辑等情况下，显式锁可以更好地发挥作用。

综上所述，显式锁相较于内置锁具有更高的灵活性，并且可以解决内置锁的一些局限性问题，适用于复杂的同步场景。然而，显式锁在使用上也需要更多的注意和思考，不当的使用方式可能导致死锁、性能问题等，因此在选择锁机制时，需要根据具体需求进行综合评价和选择。

下面我们将通过示例代码来对比内置锁和显式锁的具体应用。