Java中的同步与锁机制详解

拼搏现实的明天。 2023-09-25 21:50 130阅读 0赞

作为Java程序员，我们都知道在编写多线程程序时，需要确保线程之间的同步与互斥。本文将详细介绍Java中的同步与锁机制。

**1. 为什么需要同步与锁？**

在多线程环境中，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其他不可预料的结果。为了解决这个问题，Java提供了同步与锁机制来确保线程安全地访问共享资源。

**2. Java中的同步**

在Java中，同步可以通过以下两种方式实现：

*  同步方法：使用`synchronized`关键字修饰方法
 *  同步块：使用`synchronized`关键字创建一个同步代码块

**2.1 同步方法**

当一个方法被`synchronized`关键字修饰时，同一时间只有一个线程可以执行该方法。其他线程必须等待当前线程执行完毕后才能继续执行。示例如下：

public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 方法体
    }
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**2.2 同步块**

当需要同步的代码只是方法的一部分时，可以使用同步块。示例如下：

public void someMethod() {
        // 非同步代码
    
        synchronized (this) {
            // 同步代码块
        }
    
        // 非同步代码
    }
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**3. Java中的锁**

Java提供了`java.util.concurrent.locks`**包，其中包含了多种锁机制。最常用的锁是**`ReentrantLock` **，它实现了**`Lock`**接口。使用**`ReentrantLock`可以实现更灵活的锁定策略，包括可重入锁、公平锁和非公平锁。

**可重入锁、公平锁和非公平锁是 Java 并发编程中的几种锁类型**

1.  可重入锁（Reentrant Lock）

可重入锁是指在一个线程已经获得锁的情况下，该线程可以再次获得同一个锁。这种锁的优点是可以避免死锁和提高代码的可重用性。Java 中的 **`synchronized`** 和 `ReentrantLock` 都是可重入锁的实现。

class ReentrantExample {
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        void methodA() {
            lock.lock();
            try {
                // 执行方法 A 的代码
                methodB();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        void methodB() {
            lock.lock();
            try {
                // 执行方法 B 的代码
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
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在这个示例中，当线程执行 **`methodA()`** 并获得锁时，它可以在 **`methodA()`** 内部调用 **`methodB()`** 并再次获得同一个锁，因为 **`ReentrantLock`** 是可重入的

2.公平锁（Fair Lock）

公平锁是指在锁的获取顺序上遵循先进先出（FIFO）原则，先请求锁的线程会先获得锁。这种锁可以避免线程饥饿现象，但是相对于非公平锁，公平锁的性能开销较大。在 Java 中，**`ReentrantLock`** 可以通过构造函数参数设置为公平锁。

class FairLockExample {
        private final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    
        void method() {
            fairLock.lock();
            try {
                // 执行方法的代码
            } finally {
                fairLock.unlock();
            }
        }
    }
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在这个示例中，`ReentrantLock`的构造函数接收一个布尔参数 **`true`**，表示锁是公平的。这样，锁的获取顺序将遵循先进先出原则。

3.非公平锁（Unfair Lock）

非公平锁与公平锁相反，它不保证锁获取的顺序。当一个线程释放锁后，其他等待线程中可能有优先级更高的线程优先获得锁。非公平锁的优点是性能较好，因为它不需要维护等待线程的顺序。Java 中的 **`ReentrantLock`** 默认为非公平锁。

class UnfairLockExample {
        private final ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(false);
    
        void method() {
            unfairLock.lock();
            try {
                // 执行方法的代码
            } finally {
                unfairLock.unlock();
            }
        }
    }
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在这个示例中，`ReentrantLock`的构造函数接收一个布尔参数 **`false`**，表示锁是非公平的。这样，锁的获取顺序将不遵循先进先出原则，可能导致线程饥饿现象，但在大多数情况下性能较好。

简单来说就是

*  可重入锁：允许线程在已经获得锁的情况下再次获得同一个锁，可以避免死锁和提高代码的可重用性。
 *  公平锁：遵循先进先出原则，先请求锁的线程会先获得锁，避免线程饥饿现象，但性能开销较大。
 *  非公平锁：不保证锁获取的顺序，性能较好，但可能导致线程饥饿现象。

在实际应用中，选择锁类型取决于具体场景和性能需求。在大多数情况下，默认的非公平锁性能较好，可以满足需求；但如果需要确保线程不会饥饿，可以选择公平锁。

**4. 死锁与如何避免**

死锁是指多个线程相互等待对方释放资源的情况。这会导致程序无法继续执行。为了避免死锁，可以采取以下策略：

*  按顺序请求资源
 *  设置超时释放锁
 *  使用死锁检测算法

# 常见线程面试题 #

**什么是线程饥饿？**

线程饥饿是指一个线程因为竞争资源而长时间得不到执行的现象。在某些情况下，由于调度策略或者其他因素，一些线程可能长时间无法获得所需资源，导致这些线程一直处于等待状态，无法继续执行。这种现象称为线程饥饿。

以一个简单的银行排队场景为例。假设银行有两个窗口（资源），分别由两个线程（**窗口1**和**窗口2**）负责。顾客（任务）会在队列中等待，按照到达顺序依次进行服务。在正常情况下，顾客会按照到达顺序进行服务，不会出现线程饥饿现象。

但是，假设银行的窗口**调度策略**有问题，**窗口1**总是优先服务队列中的新到达顾客，**窗口2**则按照顺序服务。这样一来，窗口1可能会不断抢占新到达的顾客，导致队列前面的顾客一直得不到服务。这种情况下，队列前面的顾客就会出现饥饿现象，无法得到服务。

为了解决线程饥饿问题，可以采用公平的调度策略。在上述银行排队场景中，如果两个窗口都按照先进先出的原则服务顾客，那么线程饥饿现象将不会发生，每个顾客都能按照到达顺序得到服务。

在Java中，使用公平锁（如`ReentrantLock`的公平锁模式）可以避免线程饥饿现象。公平锁会确保等待时间最长的线程最先获得锁，从而避免某些线程长时间得不到锁，导致线程饥饿。但是，公平锁的性能开销通常比非公平锁要大，因为需要维护一个队列来记录等待线程的顺序。

**什么是Java中的同步？**

答：Java中的同步是一种机制，用于确保多个线程在共享资源上按照预期的顺序访问，以防止竞争条件和数据不一致。

**什么是锁？**

答：锁是一种并发控制工具，用于确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。Java提供了内置锁（通过`synchronized`**关键字）和显式锁（通过**`java.util.concurrent.locks`**包中的类，例如**`ReentrantLock`）。

**解释Java中的`synchronized`关键字。**

答：`synchronized`**是Java中的一个关键字，用于表示一个方法或代码块需要同步执行。当一个线程进入一个**`synchronized`方法或代码块时，它会获得与该对象或类关联的锁，而其他线程必须等待该锁被释放才能执行相同的方法或代码块。

**什么是死锁？如何避免死锁？**

答：死锁是一种并发问题，发生在两个或多个线程相互等待对方释放资源的情况下。避免死锁的方法包括：

*  避免循环等待：按照一定的顺序请求锁。
 *  使用锁超时：尝试获取锁时设置超时时间，超时后线程可以释放已持有的锁并重试。
 *  使用可中断锁：使用`java.util.concurrent.locks`**包中的锁，如**`ReentrantLock`，它们可以响应中断信号，从而允许线程放弃等待并释放锁。

**什么是可重入锁？**

答：可重入锁（ReentrantLock）是一种锁，允许线程多次获取同一个锁而不会导致死锁。当一个线程已经持有锁时，它可以再次获取该锁而不会被阻塞。Java中的`synchronized`**关键字和**`ReentrantLock`类提供了可重入锁的实现。

**解释`java.util.concurrent.locks`包中的`Lock`接口和`ReentrantLock`类。**

答：`Lock`**接口是Java并发包中提供的一个显式锁机制。它定义了用于获取和释放锁的方法。** `ReentrantLock`**是**`Lock`**接口的一个实现，它提供了可重入的互斥锁功能。与**`synchronized`**关键字相比，** `ReentrantLock`提供了更高的灵活性。