Java中的鎖

Java中的鎖在多線程編程中扮演著非常重要的角色。鎖的作用是把多個線程之間對共享資源的競爭轉化為獨佔式的訪問，從而避免了多個線程同時修改共享資源的情況，保證了程序的正確性。

一、鎖的分類

鎖可以分為兩大類：悲觀鎖和樂觀鎖。

悲觀鎖是一種比較保守的鎖，它假設任何情況下都會出現並發衝突，因此在每次操作共享資源時都會加鎖。Java中常用的悲觀鎖是synchronized關鍵字和ReentrantLock類。

樂觀鎖相對來說較為樂觀，它認為在並發情況下，大多數操作並不會發生衝突，因此每次操作時都不會進行加鎖操作。如果發現了衝突，就會進行特殊的處理，比如重新嘗試操作或者回滾等操作。Java中常用的樂觀鎖是CAS(Compare And Swap)操作。

二、synchronized關鍵字

synchronized是Java中最基本的一種鎖機制，也是使用最為廣泛的一種。它可以修飾代碼塊或者方法，保證了共享資源的互斥訪問。

synchronized修飾代碼塊的語法如下：

synchronized(Object){
   //同步代碼塊
}

synchronized修飾方法的語法如下：

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

synchronized的原理是每個對象都有一個內置鎖，也稱為監視器鎖。在執行同步代碼塊或同步方法時，線程首先要獲得這個鎖，才能進入同步代碼塊或同步方法中執行代碼。當線程執行完成之後，會釋放掉這個鎖。

synchronized有以下優點：
– 線程安全：synchronized保證同一時刻只有一個線程執行同步代碼塊或同步方法，從而避免了多個線程同時訪問共享資源的情況，保證了程序的線程安全。
– 原子性：synchronized保證了代碼塊或方法的原子性，即在同步代碼塊或同步方法中所有的操作要麼全部完成，要麼全部不完成。
– 可見性：synchronized保證了共享資源的可見性，即當一個線程修改了共享資源的值之後，其他的線程可以立即看到這個修改。

三、ReentrantLock類

ReentrantLock類也是Java中比較常用的一種鎖機制，它提供了比synchronized更加靈活的功能，如可重入鎖、公平鎖、帶超時的鎖等。

ReentrantLock類的使用方法如下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //創建鎖對象
lock.lock(); //獲取鎖
try{
   //同步代碼塊
}finally{
   lock.unlock(); //釋放鎖
}

ReentrantLock類的優點：
– 可重入性：ReentrantLock是可重入鎖，即線程可以多次獲得同一把鎖而不會產生死鎖。
– 公平性：根據構造函數傳入的參數可以設定為公平鎖或非公平鎖。公平鎖意味著線程獲取鎖的順序是按照請求的時間順序來的，而非公平鎖則是隨機獲取的。
– 可中斷性：線程在獲取鎖或等待獲取鎖的過程中，可以根據需要中斷等待或獲取鎖的線程。
– 超時等待：線程在獲取鎖時，可以設置一個超時等待時間，在等待指定時間後如果還沒有獲取到鎖就可以放棄等待。
– 條件變數：可以使用ReentrantLock類來實現條件變數的功能，從而更加靈活地控制線程的執行順序。

四、CAS操作

CAS是樂觀鎖的一種形式，它是一種基於硬體的原子操作，在Java中的實現是sun.misc.Unsafe類，使用CAS操作可以實現線程安全的無鎖並發演算法。

CAS操作的原理是：當需要修改某個共享變數V的值時，首先讀取變數V的值A，接著計算出新值B，然後使用CAS操作更新V的值。CAS操作只會在V的值等於A的時候才會更新V的值，如果V的值和A不一致，說明在更新之前V的值已經被其他線程改變了，此時CAS操作會失敗，需要重新執行修改操作。

CAS操作可以用AtomicInteger和AtomicLong等類來代替synchronized關鍵字實現線程安全的計數器操作。

下面是一個使用CAS操作實現的線程安全的計數器代碼示例：

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、死鎖的避免

死鎖是指多個線程相互等待對方釋放鎖並且無法繼續執行的狀態。為了避免死鎖的發生，我們可以採取以下幾種措施：
– 避免多個線程同時獲得多個鎖
– 避免持有鎖的時間過長，盡量減少同步塊中的代碼
– 如果無法避免多個線程同時獲得多個鎖，可以嘗試按照固定的順序獲取鎖，從而避免循環等待的情況
– 使用tryLock()或者lockInterruptibly()等帶超時或可中斷的線程獲取鎖的方式

六、總結

Java中的鎖機制包括了synchronized關鍵字、ReentrantLock類和CAS操作等。不同的鎖機制各有優缺點，需要根據具體場景進行選擇。在使用鎖的過程中，需要注意死鎖的問題，避免出現線程相互等待的情況。