Java编程并发基础学习-锁详细分析，可重入锁、读写锁、信号量等

Java是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性，广泛应用于PC、数据中心、游戏控制台、科学超级计算机、移动电话和互联网，同时拥有全球最大的开发者专业社群。

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1 基础

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1.1 可重入锁

可重入锁表示的是，如果一个线程在未释放已获得锁的情况下再次对该对象加锁，将可以加锁成功。而且可以不断的加锁成功多次。但需要注意的是，每次加锁操作必须对应着一次释放锁的操作。 如以下示例是可以运行的（但完全没这么写的必要）：

为什么需要可重入锁？先看以下示例（使用内置锁）：

以上示例中，a方法调用b方法，两个方法都被内置锁锁定，如果不可重入，那么在调用b的时候当前线程就会等待锁的释放-而实际锁又被自己占用，因此死锁就出现了。而可重入锁就是为了解决这个问题而出现的。

那为什么a方法和b方法可能会需要同时加锁呢？这是因为外部对象可能会单独调用b方法而不去调用a方法！如果b没有进行加锁处理那么可能会导致并发问题。

注意：实际上可重入锁如ReentrantLock在其内部有一个计数器用于保存当前线程对该锁的加锁次数；如果为0是表示当前线程没有获取到该锁。

1.2 读写锁

读写锁内部实际上包含有两个锁对象：一个负责对读操作加锁，一个负责对写操作加锁。读操作不是排他的，也就是说同一时刻可以有多个线程同时占用读锁；而写操作必须是排它的，如果写锁被某个线程占有，那么任何的线程不但获取不到写锁，也获取不到读锁。 使用读写锁能够有效的提高并发；就是因为排它锁不允许同时读，而读写锁允许。

2 内置锁synchronized

对象的内置锁，它有以下特性：

可以使用在方法或者代码段上； 但不可以使用在构造方法上。

它是可重入的；

当synchronized用于同一个对象时，同一时刻只有一个线程能够进入它被synchronized包围的区域。

举个例子，如果某类的A方法和B方法都使用了synchronized关键字，当线程1在调用A方法时，无论线程2想要调用A或者B方法，它都只能等待A的调用完成。这是因为进入synchronized包围区域后，表示的是这个对象的内置锁已经被这个线程获取到，其它要进入synchronized区域的线程都只能等待。

每一个对象都有一个内置锁，对象可以是类实例化后的对象，也可以是类本身。

当内置锁使用在静态方法上时，表示的是对获取的类本身的内置锁，而不是实例化后的内置锁。

使用示例：

内置锁可以简化加锁操作，也能够避免在使用Lock的时候出现一些很常见的问题如死锁等。因此synchronized能够满足需求时可以考虑优先使用内置锁。 但某些复杂场景下可能内置锁无法满足需求，如处理流程是下面这样的：

获取A锁后再获取B锁，然后先释放A锁。这种场景使用内置锁就无法满足。必须使用显示锁（Lock）

3 显式锁Lock

显式锁可以提供比synchronized更加灵活的加锁功能。synchronized的所有使用场景显示锁都能够满足，而且还可以支持更多复杂的操作场景。

Java中的显式锁UML图如下所示：

它主要包含了两个接口和两个实现：

Lock: 最顶层的锁接口，提供加锁与释放锁的接口方法；

ReentrantLock：Lock的一个可重入锁的实现类；

ReadWriteLock： 读写锁接口，提供获取读锁对象与获取写锁对象两个接口方法；

ReentrantReadWriteLock：可重入读写锁的实现类；

3.1 简单示例

显式锁主要的方法就是lock与unlock,先通过一个简单示例来演示锁的使用。

注意此处如果不加锁，在多线程环境下是有导致出问题的。多个线程同时向map中put同一个Key对应的值，最终存储的值将可能是某个线程put进去的，也可能都不是。

注意：加锁后到释放锁前的所有操作都必须被try{}包围起来，并且必须在finally中释放锁。否则如果在释放锁前某个处理抛出异常，将不会进行锁的释放操作，这样的话其它线程就永远获取不到锁了

3.2 锁常用操作

a. Lock接口

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b. ReadWriteLock接口

方法说明

readLock返回一个读锁对象

writeLock返回一个写锁对象

3.3 读写锁使用示例

如下例，假设有Cache对象对数据按Key、Value进行缓存，写时互斥而读时可同时读，实现如下：

4 信号量Semaphore

信号量是一种轻量锁，它主要用于控制某些有限资源在多线程之间的分配使用。假设最多只允许向数据库建立5个连接，那么同时有5个线程可以使用连接，如果同时请求的线程数超过5个，那么其它未获取许可的线程就只能等待正在运行中的线程释放连接。 Semaphore提供acquire()方法来获取许可，使用release方法来释放许可，初始化的时候可以设置信号量的个数，也可以设置该信号量的公平性参数。

说明

公平性指的是对信号量的请求是否是FIFO（先入先出）的；如果设置成True，那么先调用acquire方法的线程将优先获取到信号量； 如果设置成False，那么将不会保证这个顺序，后提交的可能比在等待中的更加早的获取到信号量。默认情况下是设置成False的。

acquire方法也可以一次性获取多个信号量；当信号量数不够时，将会阻塞直到有信号量被其它线程释放并且数目足够。注意以下场景：如果设置成公平的，当前可使用的信号量为2个，A线程先申请的信号量为3个，B线程后申请两个，那么A与B都将会等待，而不会因为能够满足B线程的需求而优先让B线程获取到足够的信号量。

4.1 信号量使用示例

下例模拟实现连接池。

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4.2 方法清单

信号量的使用方法可以分成两类，一类是acquire，一类是release，清单如下：

其中，每个acquire与release方法还有一个带int参数的变种，表示的是获取或者释放指定个数的信号量。