1.Java锁概述
1.1 锁的作用与重要性
在多线程编程中，锁是用于控制多个线程对共享资源的访问，确保了线程安全，防止数据的不一致和破坏。锁提供了两个主要功能：互斥和可见性。互斥即一次只允许一个线程持有锁，以避免多线程同时修改同一数据；可见性保证一个线程对共享数据的修改，能够被接下来获得锁的其他线程看到。
1.2 Java中锁的类型简介
Java提供了多种锁机制，包含内置锁synchronized、显式锁Lock、以及其他的协作对象，如Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等。每种锁都有其特定的应用场景。
2.ReentrantLock详解
2.1 Lock接口的主要方法
Lock接口是提供了比synchronized关键字更灵活的锁操作机制，它允许更复杂的条件同步控制。Lock接口提供的主要方法如下：
public interface Lock {
void lock(); // 获取锁
boolean tryLock(); // 尝试非阻塞地获取锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 尝试在给定时间内阻塞地获取锁
void unlock(); // 释放锁
Condition newCondition(); // 返回绑定到此Lock实例的新Condition实例
void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 获取锁，除非当前线程被中断
}
2.2 ReentrantLock的特性
ReentrantLock作为Lock接口的一个实现类，在多线程处理中提供了高度的支持。
2.2.1 非公平锁与公平锁的区别
在构造ReentrantLock的时候可以指定一个boolean值来决定锁的公平性：ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); 非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。对于非公平锁，当锁变得可用时，锁将尝试给予等待时间最长的线程，但不会像公平锁那样保证这一点。公平锁则是完全按照等待的先后顺序，先来的线程先获得锁。
2.2.2 ReentrantLock与synchronized的对比
synchronized是依赖于JVM实现锁的功能，它只有简单的锁定和释放功能。而ReentrantLock则提供了丰富的功能，如可中断的锁获取、锁投票、定时锁等候以及公平性选项。 来看一个简单的ReentrantLock例子：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private int count = 0;
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
在这个例子中，我们用ReentrantLock确保每次只有一个线程能够进入增量部分的临界区。
2.3 ReentrantLock的内部实现机制
ReentrantLock的内部实现基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）这一同步器框架。AQS使用一个int成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。
2.4 Condition类的使用与特点
Condition接口提供了类似于Object监视器方法的功能，如等待通知机制的wait、notify和notifyAll。不同的是，一个Lock能够绑定多个Condition对象。
2.4.1 Condition与Object类锁方法的区别
用Condition实现的生产者/消费者模式比synchronized方式能更好地控制线程的唤醒。Condition能够为线程指定不同的等待集合（条件队列），而synchronized方式下所有线程都是在一个等待集合中。来看一个Condition的使用实例：
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在这个有界队列的例子中，notFull和notEmpty分别对应着队列的不满和不为空的条件。当队列满或空时，生产者和消费者线程会分别等待，直到队列不满或不为空才会继绀执行。
2.5 tryLock、lock与lockInterruptibly的使用场景与区别
tryLock() 方法提供一种限时等待来尝试获取锁。如果锁在指定的等待时间内没有被获取，当前线程可以做一些其他事情，这通常用于响应外部条件的改变。 lock() 方法会阻塞线程直到获取锁。如果锁已被其他线程获取，当前线程将处于等待状态。 lockInterruptibly() 允许在等待锁的过程中响应中断。如果当前线程被中断，则不会获取锁。 每种获取锁的方式都有其适应的场景，开发者应根据实际情况选择恰当的锁策略。
3.Semaphore信号量机制
3.1 Semaphore基本概念与原理
Semaphore信号量是用于控制同时访问特定资源的线程数量，它通过维护一组许可证来实现。Semaphore可以用来实现资源池，或者用于并发任务限流。Semaphore主要方法介绍如下:
public class Semaphore {
public Semaphore(int permits) { ... } // 初始化许可证数量的构造器
public void acquire() { ... } // 获取许可证，如果无可用许可证则阻塞
public void release() { ... } // 释放许可证，增加可用许可证数量
public boolean tryAcquire() { ... } // 尝试非阻塞的获取许可证
}
3.2 通过Semaphore实现互斥锁（计数器设置为1）
将Semaphore的许可证数量设置为1，使得任何时刻只允许一个线程执行操作，与互斥锁相似。以下是示例代码：
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Mutex {
private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
public void accessResource() {
try {
semaphore.acquire();
// 访问临界区资源
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
semaphore.release();
}
}
}
以上代码确保了每次只有一个线程能够进入到临界区。
3.3 Semaphore的高级用法与案例
Semaphore除了基本的互斥作用，还可以实现其他复杂的同步需求，如限流器（Rate Limiter）。
3.4 Semaphore与ReentrantLock的使用对比
- Semaphore允许多个线程同时访问某一个资源，而ReentrantLock通常用于资源的互斥使用。
- ReentrantLock可以完全保证公平性，而Semaphore则不行。 Semaphore可用于不同的场景，如限制对集合访问的并发度，实现简单的线程池等。
4.原子类操作的锁机制
4.1 AtomicInteger的使用与实现原理
在Java的java.util.concurrent.atomic包中，AtomicInteger是一个提供原子操作的整型值。原子类通过底层硬件指令来实现无锁的线程安全操作，大多数情况下比锁有着更好的性能。以下是AtomicInteger的一个基础示例：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicCounter {
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public void increment() {
count.getAndIncrement(); // 原子性地增加1
}
public int getCount() {
return count.get(); // 获取当前的计数值
}
}
这种方式无需担心线程安全问题，因为getAndIncrement()方法会保证原子性操作。
4.2 如何使用原子类确保线程安全
原子类背后的主要机制是CAS（Compare-And-Swap），这是一种硬件对并发操作共享数据的支持。CAS操作包含3个参数：内存位置、预期原值及新值。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，这个操作是原子的。 使用原子类可以避免synchronized和Lock需要的上下文切换和调度延迟，从而在高并发环境中提供更好的性能。
5.可重入锁（递归锁）的深入理解
5.1 可重入锁在Java中的表现
可重入锁，也称递归锁，指的是同一个线程多次获得同一把锁。在Java中，ReentrantLock和synchronized都提供了可重入性。这种机制保证了当一个线程已经持有锁时，它可以再次获取该锁而不会产生死锁。
5.2 可重入锁的实战应用案例
在多线程环境中处理递归调用时，可重入锁显得尤为重要。以下是一个ReentrantLock的使用案例，其中显示了可重入特征：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class RecursiveLock {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private int count = 0;
public void outer() {
lock.lock();
try {
count++;
inner(); // 可重入锁可以在这里再次被获取
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void inner() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在这个例子中，当执行到inner()方法时，当前线程不需要重新争取锁，它可以直接再次获取到锁，并增加计数。 递归锁功能同样适用于synchronized，它是通过线程持有的锁计数来实现的。当线程进入同步块时，锁计数会增加，当退出时减少。计数为0时锁被释放。
