在 Java 的并发编程中，volatile、synchronized 和 ReentrantLock 是三种常用的同步机制。每种机制都有其独特的特性、优缺点和适用场景。理解它们之间的区别以及在何种情况下使用哪种机制，对提高程序的性能和可靠性至关重要。本文将详细探讨这三种机制的特性、使用场景及示例。
1. volatile 的特性
1.1 保证可见性
volatile 修饰的变量确保所有线程都能看到变量的最新值，避免了线程间的缓存不一致问题。
示例
public class VolatileVisibility {
private volatile boolean running = true;
public void stop() {
running = false; // 修改 running
}
public void execute() {
while (running) {
// 执行任务
}
}
}
在这个例子中，running 变量被声明为 volatile，当一个线程调用 stop() 方法时，其他线程会立即看到 running 的值为 false。
1.2 禁止指令重排序
volatile 还保证了对该变量的操作不会被重排序，从而确保程序执行的顺序性。
示例
public class VolatileReordering {
private int a = 0;
private volatile int b = 0;
public void method1() {
a = 1; // 1
b = 2; // 2
}
public void method2() {
if (b == 2) { // 3
System.out.println(a); // 4
}
}
}
如果没有 volatile，可能会发生重排序，使得 method2() 在 method1() 的 b = 2 之前执行，导致 a 的值可能为 0。
1.3 不保证原子性
volatile 不能保证对复合操作的原子性，比如自增操作。
示例
public class VolatileAtomicity {
private volatile int count = 0;
public void increment() {
count++; // 非原子操作
}
public int getCount() {
return count;
}
}
在这个例子中，increment() 方法对 count 的自增不是原子操作，可能导致数据不一致。
2. synchronized 的特性
2.1 可重入性
synchronized 允许同一线程多次获得同一把锁，而不会发生死锁。
示例
public class SynchronizedReentrancy {
public synchronized void method1() {
method2(); // 允许重入
}
public synchronized void method2() {
// 执行任务
}
}
在这个例子中，method1() 可以安全地调用 method2()，因为 synchronized 允许可重入。
2.2 不可中断性
synchronized 的获取锁是不可中断的，线程在等待锁时不能被中断。
示例
public class SynchronizedInterruptibility {
public synchronized void lockedMethod() throws InterruptedException {
Thread.sleep(10000); // 模拟长时间执行
}
public void execute() {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lockedMethod();
} catch (InterruptedException e) {
// 处理被中断
}
});
thread.start();
thread.interrupt(); // 线程在等待锁时被中断
}
}
在这个例子中，lockedMethod() 无法被中断，导致线程无法释放锁。
2.3 锁的升级和降级
synchronized 支持锁的升级和降级。在方法中直接使用 synchronized，在代码块中也可以使用。
示例
public class SynchronizedUpgrade {
public synchronized void method() {
// 持有对象锁
synchronized (this) {
// 持有同一把锁
}
}
}
在这个例子中，使用了对象的锁和类的锁，展示了锁的升级和降级。
2.4 不公平性
synchronized 不保证公平性，可能导致某些线程长时间等待。
示例
public class SynchronizedFairness {
public synchronized void method() {
// 执行任务
}
}
在这个例子中，多个线程访问 method() 时，无法保证先请求的线程先获得锁。
2.5 可见性、原子性和有序性
synchronized 保证了对共享变量的可见性、原子性和有序性。
示例
public class SynchronizedVisibility {
private int data;
public synchronized void updateData(int value) {
data = value; // 更新数据
}
public synchronized int readData() {
return data; // 读取数据
}
}
在这个例子中，updateData() 和 readData() 方法保证了 data 的线程安全。
3. ReentrantLock 的特性
3.1 可重入性
ReentrantLock 允许同一线程多次获得锁，支持可重入。
示例
public class ReentrantLockReentrancy {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
lock.lock();
try {
method(); // 允许重入
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在这个例子中，method() 方法可以安全地调用自身，因为 ReentrantLock 允许可重入。
3.2 可中断性
ReentrantLock 允许在等待锁时被中断，提供了更好的控制。
示例
public class ReentrantLockInterruptibility {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void lockedMethod() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly(); // 可中断的锁
try {
// 执行任务
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在这个例子中，lockedMethod() 可以被中断，提供了更好的控制。
3.3 公平性和非公平性
ReentrantLock 支持公平和非公平锁的选择。
示例
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
ReentrantLock unfairLock = new ReentrantLock(); // 非公平锁
在这个例子中，公平锁会按照线程请求的顺序来获取锁，而非公平锁则可能导致某些线程饥饿。
3.4 条件变量
ReentrantLock 提供了条件变量支持，可以实现复杂的线程间协作。
示例
public class ReentrantLockCondition {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition condition = lock.newCondition();
public void await() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
condition.await(); // 等待条件
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void signal() {
lock.lock();
try {
condition.signal(); // 唤醒等待的线程
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在这个例子中，使用条件变量实现了线程间的协作。
4. 三者之间的区别
| 特性 | volatile | synchronized | ReentrantLock |
|---|---|---|---|
| 可见性 | 保证可见性 | 保证可见性 | 保证可见性 |
| 互斥性 | 不保证 | 保证互斥性 | 保证互斥性 |
| 是否可重入 | 不适用 | 支持可重入 | 支持可重入 |
| 代码块范围 | 只能用于变量 | 代码块或方法 | 代码块或方法 |
| 锁的获取方式 | 无 | 自动获取 | 显式获取 |
| 公平性 | 无 | 无 | 支持公平性 |
| 性能 | 性能开销小 | 性能开销中等 | 性能开销较大 |
5. 适用场景分析
5.1 何时使用 volatile
适用场景：当需要保证某个变量的可见性，但不需要互斥访问时，使用 volatile 是最佳选择。
示例
public class VolatileFlag {
private volatile boolean flag = true;
public void stop() {
flag = false;
}
public void run() {
while (flag) {
// 执行任务
}
}
}
在这个场景中，volatile 可以有效地减少上下文切换，提高性能。
5.2 何时使用 synchronized
适用场景：当需要对共享资源进行互斥访问时，使用 synchronized 是最佳选择。
示例
public class SynchronizedCounter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized int getCount() {
return count;
}
}
在这个例子中，synchronized 确保了 count 的线程安全。
5.3 何时使用 ReentrantLock
适用场景：当需要更加灵活的锁定机制，比如可重入性、公平性或可中断的锁时，使用 ReentrantLock 是最佳选择。
示例
public class ReentrantLockCounter {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private int count = 0;
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
在这个例子中，ReentrantLock 允许灵活的控制锁的获取和释放。
6. 总结
通过本文对 volatile、synchronized 和 ReentrantLock 的深入分析，读者可以了解到它们各自的特性、优缺点及适用场景。在并发编程中，选择合适的同步机制不仅可以提高程序性能，还能有效地避免潜在的线程安全问题。
在实际开发中，根据不同的需求和场景，合理使用这三种机制，可以使得 Java 程序在并发执行时更加高效和安全。
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