Java多线程：锁机制深入剖析

在并发编程中，正确地管理资源的访问至关重要。Java提供了多种锁机制来协调多个线程之间对共享资源的访问。本文将深入探讨Java多线程中的锁机制，包括内置锁（synchronized关键字）、显式锁（java.util.concurrent.locks.Lock）以及并发集合（java.util.concurrent）提供的锁机制。

1. 内置锁（Synchronized）

Java中的每个对象都可以作为锁，这种机制称为内置锁或监视器锁。使用synchronized关键字可以很容易地实现对一个对象的同步访问。

1.1 同步实例方法

public synchronized void syncMethod() {
    // 访问或修改共享资源
}

当一个线程访问一个对象的synchronized实例方法时，它持有该对象的锁，其他线程将无法进入该对象的任何synchronized实例方法。

1.2 同步静态方法

public static synchronized void syncStaticMethod() {
    // 访问或修改共享资源
}

同步静态方法锁定的是类对象（Class对象），即所有实例共享的锁。

1.3 同步代码块

public void method() {
    synchronized(this) {
        // 访问或修改共享资源
    }
}

同步代码块允许更精细地控制锁的获取和释放。

2. 显式锁（Lock）

Java 5引入了java.util.concurrent.locks包，它提供了更复杂的锁操作。ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，它具有与synchronized相同的基本行为和语义，但增加了更多的功能。

2.1 ReentrantLock的使用

Lock lock = new ReentrantLock();

public void method() {
    lock.lock();
    try {
        // 访问或修改共享资源
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

ReentrantLock提供了等待尝试锁（tryLock）、可中断地获取锁（lockInterruptibly）以及公平锁等高级功能。

2.2 条件变量（Condition）

ReentrantLock还可以与Condition一起使用，提供类似Object.wait()/notify()/notifyAll()的功能。

Condition condition = lock.newCondition();

public void method() {
    lock.lock();
    try {
        while (/* 条件不满足 */) {
            condition.await();
        }
        // 访问或修改共享资源
        condition.signalAll();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

3. 并发集合的锁机制

Java的并发包还提供了一系列的并发集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，它们内部实现了高效的并发控制，以减少锁的争用。

3.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap使用了一种分段锁的技术，允许多个线程并发地读写不同段的数据，从而提高了并发性能。

ConcurrentMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key", "value");

3.2 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList在写操作时通过创建原始内容的新副本来避免锁的使用，从而实现线程安全。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("element");

结论

理解和使用各种锁机制是Java并发编程的关键。内置锁提供了简单的同步方法，而显式锁则提供了更多的灵活性和高级功能。此外，Java并发包中的并发集合类为常见的并发场景提供了优化的解决方案。作为开发者，我们需要根据实际的应用场景选择最合适的锁机制，以实现高效且安全的并发控制。