Java中的线程同步机制：锁、信号量、阻塞队列

翻滚的胖子
2023-05-29 20:54:40
后端技术
Java Python

在Java多线程编程中，线程同步是非常重要的一个概念。线程同步指的是多个线程在访问共享资源时的同步操作，以避免数据的不一致。本文将从Java中线程同步的角度出发，讲解锁、信号量和阻塞队列的概念、使用方法及注意点，并提供详细的代码案例。

一、锁

锁是Java中线程同步的最基本概念之一。锁的主要作用是保护共享资源，以使得同一时刻只有一个线程能够访问该资源，从而避免数据的不一致。

1.1 synchronized关键字

在Java中，synchronized关键字是最常见的锁机制。synchronized关键字可以用在方法或者代码块上，用法如下：

public synchronized void method(){
    //代码块
}

//或者

public void method(){
    synchronized(this){
        //代码块
    }
}

在上述代码中，synchronized关键字可以用在方法定义上或者代码块中。当用在方法定义上时，表示整个方法都会被锁住，即调用该方法的线程必须获取该方法所在对象的锁，才能执行该方法。当用在代码块中时，表示该代码块会被锁住，即执行该代码块的线程必须获取该代码块所在对象的锁，才能执行该代码块。

需要注意的是，synchronized关键字只能锁住对象，而不能锁住方法或者变量。因此，在使用synchronized关键字时，需要明确锁住的对象。

1.2 ReentrantLock类

除了synchronized关键字外，Java中还提供了一种更加灵活的锁机制，即ReentrantLock类。ReentrantLock类是Java中Lock接口的一个实现，具有以下特点：

公平锁或者非公平锁：在构造ReentrantLock对象时，可以指定锁的公平性。公平锁表示多个线程获取锁的顺序与它们发出请求的顺序相同，而非公平锁则没有这个保证。
可重入锁：与synchronized关键字一样，ReentrantLock类也是可重入锁。可重入锁的意思是，同一线程可以多次获取同一把锁。
条件变量：ReentrantLock类还提供了条件变量，可以通过条件变量来实现线程等待和唤醒的功能。

ReentrantLock类的使用方法如下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

lock.lock();
try{
    //代码块
}finally{
    lock.unlock();
}

在上述代码中，首先创建了一个ReentrantLock对象，然后通过lock()方法获取锁，执行需要同步的代码块，最后通过unlock()方法释放锁。

二、信号量

信号量是Java中另一种常用的同步机制。信号量可以用来控制同时访问某个资源的线程数。Java中提供了Semaphore类来实现信号量的功能。

2.1 Semaphore类

Semaphore类有两个主要的方法：acquire()和release()。其中，acquire()方法可以用来获取许可证，如果没有许可证可用，则该方法会阻塞线程，直到有许可证可用；而release()方法则用于释放许可证。

下面是Semaphore类的一个简单示例：

Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

try{
    semaphore.acquire();
    //执行需要同步的代码块
}finally{
    semaphore.release();
}

在上述代码中，首先创建了一个Semaphore对象，该对象的许可数为2。然后通过acquire()方法获取许可证，执行需要同步的代码块，最后通过release()方法释放许可证。

三、阻塞队列

阻塞队列是Java中另一种常用的同步机制。阻塞队列可以用来实现生产者-消费者模型，即一个或多个线程生产数据，而另一个或多个线程消费数据。

3.1 BlockingQueue接口

Java中提供了BlockingQueue接口来实现阻塞队列的功能。BlockingQueue接口有以下主要方法：

put(E e)：将指定元素插入队列中。
take()：获取并移除队列头部的元素，如果队列为空，则阻塞线程。
offer(E e)：将指定元素插入队列中，如果队列已满，则返回false。
poll()：获取并移除队列头部的元素，如果队列为空，则返回null。

下面是BlockingQueue接口的一个简单示例：

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(10);

try{
    queue.put("Java");
    String str = queue.take();
}catch(Exception e){
    e.printStackTrace();
}

在上述代码中，首先创建了一个ArrayBlockingQueue对象，该对象的容量为10。然后通过put()方法插入元素，通过take()方法获取并移除队列头部的元素。