Java 锁的应用场景

引言

在并发编程中，线程的安全性是一个重要的问题。当多个线程同时访问共享的资源时，可能会导致数据的不一致性或者错误的结果。为了解决这个问题，Java提供了锁（Lock）机制，用于控制对共享资源的访问。本文将介绍Java中锁的概念、应用场景以及代码示例。

锁的概念

锁（Lock）是一种同步机制，用于限制同时访问共享资源的线程数目。在Java中，锁有两种类型：内置锁（synchronized）和显式锁（Lock接口的实现类）。

内置锁（synchronized）

内置锁是Java中最常见的锁机制，它是以代码块或方法为单位的。当一个线程访问一个使用内置锁修饰的代码块或方法时，会将该对象锁住，其他线程需要等待该锁释放才能继续执行。

synchronized void method() {
    // 代码块
    synchronized (this) {
        // 临界区
    }
}

显式锁（Lock接口）

显式锁是通过Lock接口及其实现类来实现的，它提供了更灵活的锁机制。相比于内置锁，显式锁提供了更多的功能，如可中断、可超时、公平锁等。使用显式锁需要显式地调用lock()方法获取锁、unlock()方法释放锁。

Lock lock = new ReentrantLock(); // 创建可重入锁
lock.lock(); // 获取锁
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock(); // 释放锁
}

锁的应用场景

锁在并发编程中有广泛的应用场景，下面将介绍几个常见的应用场景，并给出相应的代码示例。

1. 保护共享资源

当多个线程同时访问共享资源时，为了保证数据的一致性，需要使用锁来控制对共享资源的访问。

class Counter {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上述代码中，Counter类中的count是一个共享资源。在对count进行读写操作时，通过锁来控制对count的访问，保证线程安全。

2. 控制并发执行线程数目

有时候需要限制同时执行某个操作的线程数目，以免由于线程数太多而导致系统负载过高。这时可以使用信号量（Semaphore）来实现。

Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 最多允许5个线程同时执行

class Task implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            semaphore.acquire(); // 获取许可证
            // 执行任务
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(); // 释放许可证
        }
    }
}

上述代码中，Semaphore用来控制同时执行Task任务的线程数目。通过acquire()方法获取许可证，release()方法释放许可证。在只有5个许可证的情况下，最多允许5个线程同时执行Task任务。超过5个线程的请求将被阻塞。

3. 保证线程的执行顺序

有时候需要保证多个线程按照特定的顺序执行，可以使用条件变量（Condition）来实现。条件变量是与锁相关联的，通过await()和signal()方法来控制线程的等待和唤醒。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
int num = 1;

class Task implements Runnable {
    private int id;