Lock 和 Condition

当谈到Java多线程编程时，我们不可避免地需要处理并发问题。为此Java提供了一个强大的工具包——java.util.concurrent（JUC），其中的Lock和Condition是两个核心组件。这篇博客将详细展开关于Lock和Condition的使用背景、实际案例、注意事项以及底层实现原理，帮助读者更好地掌握这两个工具类，并在多线程编程中灵活应用。

Lock的使用背景：

传统synchronized关键字的局限性：

传统的Java并发编程中，我们常使用synchronized关键字来实现线程同步，确保多个线程对共享资源的访问是安全的。尽管synchronized是Java语言提供的内置锁机制，但它也存在一些局限性：

性能问题： synchronized关键字在获取锁和释放锁的过程中会涉及到线程的上下文切换，这会导致性能损失，特别是在高并发场景下。当多个线程竞争同一个锁时，其他线程只能等待，无法并发执行，从而降低了系统的吞吐量。

灵活性不足： synchronized关键字是在代码层面进行加锁的，一旦加锁后，只能等待获取锁的线程释放锁才能继续执行。在某些情况下，我们可能需要更灵活的锁控制，比如可以尝试获取锁并在获取失败时执行其他逻辑，而不是一直等待。

引入Lock的原因：

为了解决synchronized关键字的性能问题和灵活性不足，Java引入了Lock接口，作为对传统同步块的增强。Lock提供了更高级别的并发控制，允许更细粒度的锁控制，并且在某些情况下比synchronized更高效。

Lock的作用和优势：

Lock接口的出现填补了synchronized关键字的局限性，它具有以下作用和优势：

性能优化： Lock在大部分情况下比synchronized更高效。它采用了更细粒度的锁控制，减少了线程的上下文切换，提高了并发性能。在高并发场景下，使用Lock能够大大减少线程的竞争和等待时间，从而提升系统的吞吐量。

可中断的获取锁操作： Lock提供了可中断的获取锁操作，即在等待锁的过程中，可以响应中断请求。这样可以避免线程长时间地被阻塞在获取锁的过程中，更好地处理中断逻辑。

超时获取锁： Lock还支持超时获取锁的操作，即在指定时间内尝试获取锁，如果获取失败，则可以放弃获取锁而执行其他逻辑。这样可以避免线程一直等待锁的释放，增加了灵活性。

可重入性： Lock可以支持可重入性，即同一个线程在获取了锁之后，可以再次获取锁而不会造成死锁。

公平性： Lock可以支持公平性，即按照线程的请求顺序来分配锁，避免了某些线程一直无法获取锁的饥饿现象。

综上所述，Lock的出现填补了传统synchronized关键字的不足，提供了更高级别的并发控制机制，让开发人员在多线程编程中能够更灵活地控制锁，提高系统的性能和可靠性。

Lock的使用：

建Lock实例： 首先，我们需要创建一个Lock实例。在大多数情况下，我们会选择使用ReentrantLock类来创建Lock实例。示例代码如下：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

Lock lock = new ReentrantLock();
获取锁： 在需要同步的代码块中，我们使用Lock实例的lock()方法来获取锁。该方法会尝试获取锁，如果锁当前没有被其他线程占用，则获取成功，线程可以进入临界区执行操作。如果锁已经被其他线程占用，则当前线程会被阻塞，直到锁被释放。示例代码如下：
lock.lock(); // 获取锁
try {
    
    // 执行需要线程同步的操作（临界区）
} finally {
    
    lock.unlock(); // 释放锁，务必在finally块中释放锁，以确保锁一定会被释放
}
释放锁： 在使用完临界区的代码后，我们需要通过unlock()方法来释放锁。确保在获取锁之后，不论临界区代码是否出现异常，都能正确释放锁。示例代码如上所示。

Lock的特点在代码中的体现：

相较于synchronized关键字，Lock的特点主要体现在以下几个方面：

手动获取和释放锁： 使用Lock需要手动获取和释放锁，而synchronized关键字在进入和退出代码块时会自动获取和释放锁。

可中断获取锁： Lock提供了可中断的获取锁操作，即lock()方法可以响应中断请求。

可超时获取锁： Lock还支持超时获取锁的操作，即tryLock()方法可以在指定的时间内尝试获取锁。

公平性： Lock可以支持公平性，即在等待获取锁的队列中按照线程请求的顺序来分配锁。

使用Lock解决资源竞争问题和死锁问题：

解决资源竞争问题：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

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

    public void increment() {
    
        lock.lock();
        try {
    
            count++;
        } finally {
    
            lock.unlock();
        }
    }
}
在上面的代码中，我们使用ReentrantLock来保护count变量的访问，避免多个线程同时修改count而导致的竞争问题。

解决死锁问题：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class DeadlockDemo {
    
    private Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public void method1() {
    
        lock1.lock();
        try {
    
            // 获取lock1后继续尝试获取lock2
            lock2.lock();
            try {
    
                // 执行操作
            } finally {
    
                lock2.unlock();
            }
        } finally {
    
            lock1.unlock();
        }
    }

    public void method2() {
    
        lock2.lock();
        try {
    
            // 获取lock2后继续尝试获取lock1
            lock1.lock();
            try {
    
                // 执行操作
            } finally {
    
                lock1.unlock();
            }
        } finally {
    
            lock2.unlock();
        }
    }
}
在上面的代码中，我们使用两个ReentrantLock实例lock1和lock2来保护method1和method2方法，避免了死锁问题的发生。

实现线程同步保障数据一致性和安全性：

在使用Lock进行线程同步时，我们可以确保共享数据的一致性和安全性。通过合理地获取和释放锁，保护共享资源，我们可以避免多个线程同时对共享资源进行修改，从而确保数据的正确性和一致性。在上面的代码示例中，我们使用Lock锁来保护共享变量count的访问，从而避免了多个线程同时修改count导致的数据不一致问题。

Lock的使用注意事项：

1. 避免死锁： 死锁是多个线程相互等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行的情况。为了避免死锁，需要按照固定的顺序获取锁，即线程按照相同的顺序获取锁资源。另外，可以设置超时时间来尝试获取锁，如果超过一定时间仍未获取到锁，则放弃获取并执行其他逻辑，避免线程长时间等待。

2. 正确释放锁： 在使用Lock时，必须在合适的地方释放锁，否则可能导致锁泄漏或产生死锁。为了确保锁一定会被释放，通常在finally块中释放锁。这样即使临界区代码出现异常，锁也能被正确释放。
Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock(); // 确保在任何情况下都能正确释放锁
}
3. 可中断获取锁： Lock提供了可中断获取锁的操作，即lock()方法可以响应中断请求。在使用lock()方法获取锁时，如果当前线程被中断，它会立即响应中断并抛出InterruptedException异常。可以在catch块中处理中断逻辑。

4. 可超时获取锁： Lock支持超时获取锁的操作，即tryLock()方法可以在指定的时间内尝试获取锁。如果在指定时间内未能获取到锁，则可以放弃获取锁并执行其他逻辑。
Lock lock = new ReentrantLock();
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
    
    try {
    
        // 获取锁成功，执行临界区代码
    } finally {
    
        lock.unlock();
    }
} else {
    
    // 获取锁失败，执行其他逻辑
}
5. 公平性： Lock可以支持公平性，即在等待获取锁的队列中按照线程请求的顺序来分配锁。通过在创建Lock实例时传入true来实现公平性，默认情况下为非公平锁。
Lock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
与synchronized关键字进行比较：

Lock和synchronized关键字都可以用于实现线程同步，但在何时选择Lock而非synchronized需要根据具体场景来考虑：

灵活性： Lock提供了更高级别的线程同步控制，比synchronized更灵活，例如可中断获取锁、可超时获取锁等。如果需要更细粒度的锁控制或更灵活的线程同步机制，可以选择使用Lock。

性能： 在高并发场景下，Lock通常比synchronized更高效。synchronized是Java语言提供的内置锁，虽然Java对其进行了优化，但在某些情况下，Lock的性能更优。如果性能是一个关键考虑因素，可以考虑使用Lock。

可中断性： Lock提供了可中断获取锁的功能，这在某些情况下是非常有用的。如果需要线程在等待锁的过程中可以响应中断请求，那么Lock是一个更好的选择。

公平性： Lock可以支持公平性，而synchronized是非公平锁。如果需要在等待获取锁的队列中按照线程请求的顺序分配锁，可以选择使用Lock，并传入true实现公平性。

综上所述，Lock提供了更高级别的线程同步控制，拥有更多的特性和灵活性，而synchronized是Java内置的基本锁机制。在实际应用中，可以根据具体需求来选择合适的线程同步方式，以确保程序的正确性和性能。

Condition的使用背景：

Condition是Java JUC（并发工具包）中的一个重要组件，它是Lock接口的一个补充，用于解决传统线程同步机制无法满足的问题，允许线程间进行协作和通信。

引入Condition的作用和用途：

线程协作和通信： Condition允许线程在特定条件下进行协作和通信。在传统线程同步机制中，线程只能通过竞争锁来实现同步，但无法进行线程间的有效通信。Condition的出现使得线程可以等待特定条件满足时再进行操作，从而更好地协调多个线程的执行顺序和互动。

避免忙等待： 在某些场景下，如果线程需要等待某个条件满足后再继续执行，传统的忙等待（busy-waiting）方式会导致CPU资源的浪费。而Condition可以让线程在等待条件时进入等待状态，直到其他线程发出特定的信号来唤醒它。

精确唤醒： 使用Condition，我们可以更加精确地控制哪些线程被唤醒。传统的notify()和notifyAll()方法会随机地唤醒等待的线程，而Condition提供了更细粒度的唤醒控制，可以选择性地唤醒特定条件下等待的线程。

多个条件的等待和唤醒： Condition可以创建多个等待队列，每个队列可以根据不同的条件进行等待和唤醒。这使得线程可以根据不同的条件选择性地等待和唤醒，从而提高了线程间的灵活性和协作能力。

Condition是Lock的一个重要补充：

在Java中，Lock接口提供了更灵活和高级的线程同步控制机制，但是Lock本身并没有提供等待/通知机制。而Condition的出现填补了这个缺陷，它为Lock提供了等待/通知的功能，允许线程在等待某个条件满足时进入等待状态，并在其他线程满足条件后通知被唤醒。

在Lock接口中，我们可以通过newCondition()方法来创建一个Condition实例，每个Condition实例都与一个Lock相关联。通过Condition，线程可以在等待某个条件时调用await()方法进入等待状态，而其他线程在满足条件时调用signal()或signalAll()方法来唤醒等待的线程。

Condition的出现使得Lock接口更加强大和灵活，允许线程间进行更细粒度的通信和协作，解决了传统线程同步机制无法满足的问题。在复杂的多线程编程中，Condition为我们提供了一种更高级别的线程同步和协作方式，从而让我们能够更好地控制线程的执行顺序和互动。

Condition的使用案例：

Condition是通过Lock接口的newCondition()方法创建的，每个Condition实例都与一个Lock相关联。Condition允许线程在等待某个条件满足时进入等待状态，而其他线程在满足条件时可以通知等待的线程。下面是Condition的主要方法：

await()： 当线程调用await()方法时，它会释放当前持有的锁，并进入等待状态，直到其他线程调用signal()或signalAll()方法唤醒它。注意，调用await()方法前必须先获取锁。

signal()： 当某个线程满足了某个条件，它可以调用signal()方法来通知等待该条件的线程中的一个线程，唤醒其中一个等待的线程。

signalAll()： 与signal()类似，但signalAll()会唤醒等待该条件的所有线程。

生产者消费者模式示例：

下面通过一个生产者消费者模式的例子来演示如何使用Condition实现线程间的有效协作。在这个示例中，我们将使用ReentrantLock和Condition来实现生产者消费者问题。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProducerConsumerExample {
    
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private int maxSize = 5;

    public void produce() throws InterruptedException {
    
        lock.lock();
        try {
    
            while (queue.size() == maxSize) {
    
                notFull.await(); // 队列已满，等待非满条件
            }
            int num = (int) (Math.random() * 100);
            queue.offer(num);
            System.out.println("Produced: " + num);
            notEmpty.signal(); // 生产后通知非空条件
        } finally {
    
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() throws InterruptedException {
    
        lock.lock();
        try {
    
            while (queue.isEmpty()) {
    
                notEmpty.await(); // 队列为空，等待非空条件
            }
            int num = queue.poll();
            System.out.println("Consumed: " + num);
            notFull.signal(); // 消费后通知非满条件
        } finally {
    
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
        ProducerConsumerExample example = new ProducerConsumerExample();

        Thread producerThread = new Thread(() -> {
    
            try {
    
                while (true) {
    
                    example.produce();
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
    
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread consumerThread = new Thread(() -> {
    
            try {
    
                while (true) {
    
                    example.consume();
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
    
                e.printStackTrace();
            }
        });

        producerThread.start();
        consumerThread.start();
    }
}
在上面的代码中，我们使用ReentrantLock和Condition来创建一个生产者消费者模型。生产者负责向队列中添加元素，消费者负责从队列中取出元素。当队列满时，生产者会等待队列非满条件(notFull)，而当队列为空时，消费者会等待队列非空条件(notEmpty)。每次生产者生产一个元素后，会通知消费者队列非空；每次消费者消费一个元素后，会通知生产者队列非满。

处理线程间的依赖关系：

Condition的引入使得我们可以更好地处理线程间的依赖关系。在生产者消费者模式中，生产者必须等待队列非满才能生产，而消费者必须等待队列非空才能消费。Condition允许我们将这些依赖关系明确地表达出来，使得线程在等待条件时进入等待状态，而不是忙等待，从而节省了CPU资源。同时，当满足条件时，线程可以被唤醒，继续执行相关的操作，实现线程间的有效协作。通过使用Condition，我们可以更加清晰地控制线程的执行顺序，避免了隐式的依赖关系导致的线程执行问题。

Condition的实现原理：

Condition的底层实现原理：

在Java JUC工具包中，Condition是通过AbstractQueuedSynchronizer（AQS）实现的。AQS是实现Lock接口的抽象基类，它提供了一种用于构建锁和同步器的框架，是ReentrantLock和Condition的底层基础。

Condition内部维护了一个条件队列，用于存放因等待某个条件而被阻塞的线程。每个Condition对象与一个条件队列相关联。当一个线程调用Condition的await()方法时，它会释放锁，并将自己加入到条件队列中等待。当其他线程调用Condition的signal()或signalAll()方法时，会从条件队列中唤醒等待的线程，使得这些线程可以继续执行。

Condition与Lock之间的关联：

Condition是Lock接口的一个补充，每个Condition对象都是通过Lock接口的newCondition()方法创建的。因此，每个Condition对象都与一个Lock相关联，用于等待和唤醒线程。

在使用Condition时，首先需要通过Lock接口的实现类（如ReentrantLock）创建一个Lock实例。然后，通过Lock实例调用newCondition()方法来创建一个Condition对象。这样就可以在多个线程之间实现条件等待和唤醒。

Java JUC工具包在实现Condition时的关键设计：

在Java JUC工具包实现Condition时，关键设计主要体现在AbstractQueuedSynchronizer（AQS）和ConditionObject类中。AQS是Condition的底层基础，而ConditionObject则是Condition的实际实现。

关键设计包括：

条件队列： Condition维护了一个条件队列，用于存放因等待某个条件而被阻塞的线程。条件队列的实现是基于AQS的等待队列。

等待和唤醒机制： 调用Condition的await()方法时，线程会释放锁，并进入条件队列等待。当其他线程调用Condition的signal()或signalAll()方法时，会从条件队列中唤醒等待的线程，使得这些线程可以继续执行。

ConditionObject类： ConditionObject是Condition的具体实现类，它继承自AbstractQueuedSynchronizer。在ConditionObject类中，重写了await()、signal()和signalAll()等方法，实现了等待和唤醒的具体逻辑。

条件的状态管理： Condition在内部维护了等待条件是否满足的状态信息，以及哪些线程在等待条件。这样，当其他线程满足条件时，就可以唤醒等待的线程。

总的来说，Java JUC工具包在实现Condition时，利用了AQS的等待队列来实现条件等待和唤醒的机制，ConditionObject作为具体实现类，提供了等待和唤醒的具体逻辑。通过这样的设计，Condition实现了高级线程同步控制的功能，允许线程在等待某个条件满足时进入等待状态，并在其他线程满足条件后通知被唤醒。这种机制提供了更灵活和高级的线程协作方式，解决了传统线程同步机制无法满足的问题。

一天一个 JUC 工具类 Lock 和 Condition

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Lock的使用背景：

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Lock的使用注意事项：

Condition的使用背景：

Condition的使用案例：

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