Java中的可重入锁和公平锁

# 1. 引言

## 1.1 问题提出

在多线程编程中，确保数据的正确性和线程的安全性是至关重要的。为了实现线程的协作和同步，我们通常会使用锁来保护共享资源的访问。然而，在不同的场景下，我们可能需要使用不同类型的锁。本文将重点介绍Java中的可重入锁和公平锁，探讨它们的概念、原理、应用场景以及比较。

## 1.2 可重入锁和公平锁的概念介绍

### 可重入锁

可重入锁是指同一个线程在持有锁的情况下，可以再次获取该锁而不会产生死锁。简单来说，可重入锁允许一个线程多次获取同一把锁。

### 公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。在公平锁下，线程会按照先后顺序依次获取锁资源。相对于非公平锁，公平锁可以避免线程饥饿的问题。

接下来，我们将详细介绍可重入锁和公平锁的原理和应用场景，并比较它们的异同点。

# 2. 可重入锁

可重入锁（Reentrant Lock）是一种线程同步技术，也是Java中常用的同步机制之一。它允许线程多次获得同一个锁，并且在释放锁之前需要释放相同次数的锁。可重入锁可以解决死锁的问题，并提供更灵活的锁定方式。

### 2.1 可重入锁的原理和实现

可重入锁的实现基于独占锁的概念，它允许同一线程多次获取同一个锁。在可重入锁中，每次获取锁时，都会将线程的重入次数加1。而在线程释放锁时，重入次数减1。只有当重入次数为0时，才会真正释放锁。

下面是可重入锁的简单示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行任务
            System.out.println("Performing task");

            // 调用其他方法，继续获取锁
            performSubTask();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void performSubTask() {
        lock.lock();
        try {
            // 执行子任务
            System.out.println("Performing sub-task");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();
        example.performTask();
    }
}

上述代码中，我们使用`ReentrantLock`创建了一个可重入锁。在`performTask()`方法中，我们先获取锁，然后执行任务，并在任务中调用了`performSubTask()`方法。在`performSubTask()`方法中，我们又获取了同一个锁。

### 2.2 可重入锁的应用场景

可重入锁在以下场景中非常有用：

1. 递归函数：当一个函数递归地调用自身时，可以使用可重入锁保证同一线程可以多次获取锁。

2. 锁的分层：当需要实现一些特定的加锁策略时，可重入锁可以实现锁的分层，不同层级的锁可以独立控制。

3. 任务调度：可重入锁可以用于多线程任务的调度，保证同一线程可以按照任务的依赖关系逐个执行任务。

总之，可重入锁在多线程编程中提供了更灵活、可控的锁定方式，使得线程可以安全地访问共享资源，避免了死锁等问题的发生。

**（以上代码在可运行的环境下全部验证通过）**

# 3. 公平锁

公平锁指的是多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，即先到先得的原则。与之相对的是非公平锁，非公平锁允许插队，即新来的线程有可能在等待队列中绕过其他等待的线程直接获取锁。

#### 3.1 公平锁的特点和优势

公平锁的最大优势在于避免线程饥饿问题，保证了多个线程公平竞争获取锁的机会。当系统负载较高时，公平锁能够保证所有线程都能有公平的获取锁的机会，避免了某些线程一直无法获取锁的情况。因此，公平锁能够提高系统的整体性能和公平性。

#### 3.2 公平锁的实现和原理

公平锁的实现通常会依赖于等待队列。当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程占用，该线程会进入等待队列，按照申请顺序排队等待获取锁。当锁释放时，等待队列中的线程会按照先进先出的原则依次获取锁。

Java中的公平锁可以通过ReentrantLock的构造方法指定fair参数为true来实现。代码示例如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockExample {
    private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

    public static void main(String[] args) {
        // 创建多个线程并启动
        for (int i = 0; i < 5; i++) {