Java中的可重入锁与非公平锁

# 1. 简介

## 1.1 什么是锁

锁是一种同步机制，用于控制不同线程对共享资源的访问。在并发编程中，多个线程同时访问共享资源可能会导致数据不一致或者异常的情况发生。锁可以确保在同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而保证线程安全。

## 1.2 锁的分类及作用

根据锁的特征和应用场景，锁可以分为不同的类型，包括悲观锁、乐观锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。不同类型的锁适用于不同的并发控制场景，可以提供不同程度的并发性能和线程安全性。

锁的作用主要有两个方面：
- 保证线程安全：通过互斥机制，确保同一时间只有一个线程能够执行关键代码段，从而避免数据竞争和并发错误的发生。
- 提高并发性能：通过合理地使用锁，可以实现线程间的协作和资源的有效利用，提高程序的并发性能和系统的整体吞吐量。

## 1.3 可重入锁与非公平锁的概念

### 可重入锁

可重入锁是一种特殊的锁，也被称为递归锁。它允许同一线程多次获取同一个锁，避免发生死锁等问题。当一个线程已经获得了锁之后，可以继续多次获取该锁，而不会被自己所拥有的锁所阻塞。可重入锁可以避免死锁，提高代码的灵活性和可维护性。

### 非公平锁

非公平锁是一种锁获取的机制，它不保证锁的获取按照线程的请求先后顺序进行。在多个线程同时请求锁的情况下，非公平锁会有一定的不确定性，有可能会导致某些线程一直无法获取到锁，出现饥饿的情况。非公平锁相对于公平锁而言，可以提供更高的吞吐量。

接下来，我们将详细讨论可重入锁和非公平锁的原理、特点以及在Java中的应用。

# 2. 可重入锁的原理与特点

可重入锁是一种特殊的锁，它允许线程多次获取同一个锁而不会造成死锁。在可重入锁中，线程可多次获取同一个锁，并且每次获取都必须对应相同数量的释放操作。这种机制保证了锁的状态与当前线程的关联，在释放锁之前，其他线程无法获取该锁。

### 2.1 可重入锁的定义

可重入锁是指当一个线程持有锁时，能够再次获取该锁而不会造成死锁的一种锁。也就是说，当线程已经获取了某个锁之后，它可以重复获取该锁而不会被阻塞。这种机制使得线程在持有锁的情况下可以递归地调用同步方法，并且不必担心自己无法获取到已经持有的锁。

### 2.2 可重入锁的实现机制

在Java中，可重入锁的实现主要依靠一个计数器和一个线程标识。当一个线程首次获取锁时，计数器值为1，并且将当前线程标识设置为获取锁的线程。当同一个线程再次获取锁时，计数器递增，并且检查线程标识是否与当前线程一致。如果一致，则表示该线程已经持有了锁，计数器值递增；如果不一致，则表示其它线程已经获取了该锁，当前线程需要等待。

在释放锁时，计数器减少，直到为0时，锁完全释放，其他线程可以获取到该锁。

### 2.3 可重入锁的特点和优势

可重入锁具有以下特点和优势：

- 可重入性：同一个线程可多次获取同一个锁，避免了死锁的问题。
- 嵌套调用：支持递归调用同步方法，方便代码编写和调试。
- 公平性：可重入锁可以是公平的或者非公平的，这取决于具体实现的选择。
- 灵活性：可重入锁可用于各种多线程环境下的同步问题，并且可以与条件变量（Condition）等其他同步器一起使用。

总之，可重入锁是一种强大而灵活的同步工具，可以有效地处理并发环境下的同步问题。在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock类都支持可重入锁。

# 3. 可重入锁在Java中的应用

可重入锁在Java中被广泛应用于多线程编程中，主要体现在synchronized关键字和ReentrantLock类的使用上。

#### 3.1 synchronized关键字的可重入性

synchronized关键字是Java中最基本的锁机制，它的可重入性体现在一个线程在持有锁的情况下，能够再次获取同一个锁而不发生死锁。这种可重入性使得synchronized关键字在简单的同步场景下非常方便，不需要显式地去释放锁，使得编程更加简洁。

示例代码如下：

public class ReentrantExample {
    public synchronized void outer() {
        inner();
    }
    public synchronized void inner() {
        // do something
    }
}

#### 3.2 ReentrantLock类的使用

除了synchronized关键字，Java中还提供了ReentrantLock类，它同样具有可重入性，并且提供了一些synchronized关键字所不具备的高级特性，比如可中断锁、超时等待锁和公平性选择锁等。

示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void performTask() {
        lock.lock();
        try {
            // do something
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

#### 3.3 可重入锁的性能比较和使用场景

在平时的开发中，对于简单的同步场景，synchronized关键字已经足够好用，而对于需要更多特性的场景，ReentrantLock类则提供了更大的灵活性。在性能上，ReentrantLock类通常比synchronized关键字略慢，但在高并发情况下能够更好地控制锁的获取顺序和公平性，因此在需要更多控制的情况下，ReentrantLock类是更好的选择。

以上是可重入锁在Java中的应用情况，接下来我们将对非公平锁的原理与应用进行详细介绍。

# 4. 非公平锁的原理与特点

4.1 非公平锁的定义
非公平锁是一种获取锁的机制，它不考虑等待线程的顺序，当一个线程请求锁时，如果锁是可用的，它就会立即获取锁，否则它会进入队列等待锁释放。

4.2 非公平锁的实现机制
非公平锁的实现机制通常是通过CAS（Compare and Swap）操作来实现的，当一个线程尝试获取锁时，首先会通过CAS操作去改变锁的状态，如果成功则获取锁，如果失败则进入队列继续尝试。

4.3 非公平锁的特点和适用场景
非公平锁具有获取锁效率高的优点，但可能会导致某些线程长时间无法获取锁，导致饥饿现象。适用于对锁竞争较为激烈，对性能要求较高的场景。

以上是非公平锁的原理与特点，接下来我们将会介绍非公平锁在Java中的应用。

# 5. 非公平锁在Java中的应用

在Java中，非公平锁主要通过`ReentrantLock`类实现，该类提供了对非公平锁的支持。下面将介绍在Java中使用非公平锁的相关内容。

#### 5.1 ReentrantLock类中的公平性与非公平性

`ReentrantLock`类可以通过构造函数指定锁的公平性，构造函数中的参数`fair`用于控制锁的公平性。当`fair`为`true`时，表示创建的是公平锁；当`fair`为`false`时，表示创建的是非公平锁。

// 创建一个非公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);

#### 5.2 非公平锁的使用示例

下面是一个简单的示例，演示了如何在Java中使用非公平锁。

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

public class NonFairLockExample {
    private static final Lock lock = new ReentrantLock(false); // 创建一个非公平锁

    public void doSomething() {
        lock.lock();
        try {
            // 需要进行加锁的操作
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

#### 5.3 非公平锁与公平锁的性能比较

在实际应用中，非公平锁与公平锁的性能会有所不同，非公平锁由于不保证等待时间最长的线程优先获得锁，可能会产生饥饿现象，而公平锁可以避免饥饿现象，但性能相对较低。因此在选择锁时，需要根据实际场景权衡性能和公平性的需求。

以上是非公平锁在Java中的应用示例和性能比较，接下来将进入文章的总结部分。

# 6. 总结与展望

在本文中，我们详细讨论了可重入锁和非公平锁的概念、原理、特点以及在Java中的应用。下面我们对这两种锁进行总结，并展望它们在未来的研究和应用中的可能性。

### 6.1 可重入锁与非公平锁的联系与区别

可重入锁和非公平锁都属于一种同步机制，用于控制多个线程对共享资源的访问。它们都可以保证线程间的互斥和顺序访问。但是它们在实现机制和应用场景上存在一些区别。

可重入锁是指在一个线程已经获得锁的情况下，可以再次获得该锁而不会发生死锁。可重入锁的实现机制是通过给每个线程关联一个计数器，每次获得锁时计数器加1，释放锁时计数器减1，只有当计数器为0时，其他线程才能获得该锁。可重入锁适用于需要递归调用的场景，能够减少死锁的概率。

非公平锁指的是线程获取锁的顺序不是按照线程的到达顺序来决定的，而是由锁的实现机制来决定的。非公平锁的实现机制是当一个线程释放锁时，从等待队列中选择一个线程来获取锁，而选择的规则可能与队列中线程的到达顺序不一致。非公平锁适用于对性能要求较高的场景，因为可以减少竞争，提高吞吐量。

### 6.2 如何选择合适的锁类型

在选择可重入锁和非公平锁时，需要根据具体的应用场景和需求来进行选择。

如果需要支持递归调用的场景，或者希望减少死锁的概率，那么可重入锁是一个更好的选择。在Java中，synchronized关键字就是一种可重入锁，使用方便，但是灵活度较低。

如果对性能有较高要求，希望减少竞争，提高吞吐量，那么非公平锁是一个更合适的选择。在Java中，ReentrantLock类提供了公平和非公平两种模式，可以根据实际情况选择。

### 6.3 对可重入锁与非公平锁的进一步研究和应用展望

可重入锁和非公平锁作为常用的同步机制，在实际应用中有广泛的应用。未来可以进一步研究和探索以下方面：

- 优化性能：通过改进锁的实现方式，减少锁竞争，提高并发性能。
- 锁协议：研究更高级的锁协议，实现更复杂的同步需求，如读写锁、读写分离锁等。
- 分布式锁：将可重入锁和非公平锁应用于分布式系统中，解决分布式环境下的资源竞争问题。

总之，可重入锁和非公平锁在多线程编程中发挥着重要作用，对于提高并发性能、保证线程安全具有重要意义。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的锁类型，并不断探索和创新，以满足日益复杂的应用需求。