Java中的锁

Java中的锁在多线程编程中扮演着非常重要的角色。锁的作用是把多个线程之间对共享资源的竞争转化为独占式的访问，从而避免了多个线程同时修改共享资源的情况，保证了程序的正确性。

一、锁的分类

锁可以分为两大类：悲观锁和乐观锁。

悲观锁是一种比较保守的锁，它假设任何情况下都会出现并发冲突，因此在每次操作共享资源时都会加锁。Java中常用的悲观锁是synchronized关键字和ReentrantLock类。

乐观锁相对来说较为乐观，它认为在并发情况下，大多数操作并不会发生冲突，因此每次操作时都不会进行加锁操作。如果发现了冲突，就会进行特殊的处理，比如重新尝试操作或者回滚等操作。Java中常用的乐观锁是CAS(Compare And Swap)操作。

二、synchronized关键字

synchronized是Java中最基本的一种锁机制，也是使用最为广泛的一种。它可以修饰代码块或者方法，保证了共享资源的互斥访问。

synchronized修饰代码块的语法如下：

synchronized(Object){
   //同步代码块
}

synchronized修饰方法的语法如下：

public synchronized void method(){
   //同步方法
}

synchronized的原理是每个对象都有一个内置锁，也称为监视器锁。在执行同步代码块或同步方法时，线程首先要获得这个锁，才能进入同步代码块或同步方法中执行代码。当线程执行完成之后，会释放掉这个锁。

synchronized有以下优点：
– 线程安全：synchronized保证同一时刻只有一个线程执行同步代码块或同步方法，从而避免了多个线程同时访问共享资源的情况，保证了程序的线程安全。
– 原子性：synchronized保证了代码块或方法的原子性，即在同步代码块或同步方法中所有的操作要么全部完成，要么全部不完成。
– 可见性：synchronized保证了共享资源的可见性，即当一个线程修改了共享资源的值之后，其他的线程可以立即看到这个修改。

三、ReentrantLock类

ReentrantLock类也是Java中比较常用的一种锁机制，它提供了比synchronized更加灵活的功能，如可重入锁、公平锁、带超时的锁等。

ReentrantLock类的使用方法如下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //创建锁对象
lock.lock(); //获取锁
try{
   //同步代码块
}finally{
   lock.unlock(); //释放锁
}

ReentrantLock类的优点：
– 可重入性：ReentrantLock是可重入锁，即线程可以多次获得同一把锁而不会产生死锁。
– 公平性：根据构造函数传入的参数可以设定为公平锁或非公平锁。公平锁意味着线程获取锁的顺序是按照请求的时间顺序来的，而非公平锁则是随机获取的。
– 可中断性：线程在获取锁或等待获取锁的过程中，可以根据需要中断等待或获取锁的线程。
– 超时等待：线程在获取锁时，可以设置一个超时等待时间，在等待指定时间后如果还没有获取到锁就可以放弃等待。
– 条件变量：可以使用ReentrantLock类来实现条件变量的功能，从而更加灵活地控制线程的执行顺序。

四、CAS操作

CAS是乐观锁的一种形式，它是一种基于硬件的原子操作，在Java中的实现是sun.misc.Unsafe类，使用CAS操作可以实现线程安全的无锁并发算法。

CAS操作的原理是：当需要修改某个共享变量V的值时，首先读取变量V的值A，接着计算出新值B，然后使用CAS操作更新V的值。CAS操作只会在V的值等于A的时候才会更新V的值，如果V的值和A不一致，说明在更新之前V的值已经被其他线程改变了，此时CAS操作会失败，需要重新执行修改操作。

CAS操作可以用AtomicInteger和AtomicLong等类来代替synchronized关键字实现线程安全的计数器操作。

下面是一个使用CAS操作实现的线程安全的计数器代码示例：

public class AtomicIntegerDemo{
   private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

   public void increment(){
      count.incrementAndGet();
   }

   public void decrement(){
      count.decrementAndGet();
   }

   public int getCount(){
      return count.get();
   }
}

五、死锁的避免

死锁是指多个线程相互等待对方释放锁并且无法继续执行的状态。为了避免死锁的发生，我们可以采取以下几种措施：
– 避免多个线程同时获得多个锁
– 避免持有锁的时间过长，尽量减少同步块中的代码
– 如果无法避免多个线程同时获得多个锁，可以尝试按照固定的顺序获取锁，从而避免循环等待的情况
– 使用tryLock()或者lockInterruptibly()等带超时或可中断的线程获取锁的方式

六、总结

Java中的锁机制包括了synchronized关键字、ReentrantLock类和CAS操作等。不同的锁机制各有优缺点，需要根据具体场景进行选择。在使用锁的过程中，需要注意死锁的问题，避免出现线程相互等待的情况。

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