解释重入锁（ReentrantLock）的概念及其工作原理。

参考回答

重入锁（ReentrantLock） 是 Java 提供的一种可重入的锁，位于 java.util.concurrent.locks 包中。它具有类似于 synchronized 的锁功能，但提供了更灵活的锁机制，支持显式锁获取和释放，以及可中断、超时、和公平锁等特性。

关键点：

1. 可重入：同一个线程可以多次获得同一把锁，而不会导致死锁。
2. 显式控制：需要显式调用 lock() 和 unlock() 来加锁和解锁。
3. 灵活性：支持公平锁和非公平锁、锁中断、超时等高级特性。

详细讲解与拓展

1. ReentrantLock 的主要特性

2. 使用示例

基本用法：加锁与解锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void criticalSection() {
        lock.lock(); // 加锁
        try {
            // 临界区代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing critical section");
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁
        }
    }

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

        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                example.criticalSection();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

输出示例：

Thread-1 is executing critical section
Thread-2 is executing critical section
Thread-1 is executing critical section
Thread-2 is executing critical section
...

关键点：

• 必须显式调用 lock() 和 unlock()，确保锁的正确释放（使用 finally 块）。
• 如果忘记释放锁，可能导致死锁。

公平锁与非公平锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 创建公平锁

    public void criticalSection() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " got the lock");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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

        Runnable task = example::criticalSection;

        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(task, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

输出示例：

Thread-1 got the lock
Thread-2 got the lock
Thread-3 got the lock
Thread-4 got the lock
Thread-5 got the lock

解释：

• 公平锁按照线程的等待顺序分配锁，避免“饥饿”现象。
• 非公平锁性能更高，因为线程可能会“抢占”锁，减少线程调度的开销。

支持中断的锁

public class InterruptibleLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void interruptibleTask() {
        try {
            lock.lockInterruptibly(); // 支持中断的加锁方式
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
            Thread.sleep(2000); // 模拟任务
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " was interrupted");
        } finally {
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                lock.unlock(); // 确保释放锁
            }
        }
    }

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

        Thread t1 = new Thread(example::interruptibleTask, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            example.interruptibleTask();
        }, "Thread-2");

        t1.start();
        t2.start();

        try {
            Thread.sleep(500); // 等待一段时间后中断线程 2
            t2.interrupt();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出示例：

Thread-1 acquired the lock
Thread-2 was interrupted

3. ReentrantLock 的工作原理

1. 底层基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

• ReentrantLock 使用 AQS 实现，其核心是一个双向队列和状态变量。

• state变量记录锁的状态：

  • 0 表示锁未被占用。
  • 大于 0 表示锁被占用，值代表重入次数。

2. 获取锁（lock）

• 非公平锁：线程尝试直接 CAS 修改 state 为 1，如果成功则获得锁。
• 公平锁：线程需要先检查队列中是否有其他线程等待锁，避免抢占。

3. 释放锁（unlock）

• 释放锁时，state 减 1，如果减到 0，锁完全释放，并唤醒等待队列中的线程。

4. 支持可重入

• 同一线程再次调用 lock()，只需增加 state 值，而不需要阻塞。

4. 使用场景

• 高并发场景：需要显式控制锁的获取和释放。
• 复杂线程间同步：需要使用 Condition 实现复杂的等待和通知机制。
• 避免死锁：通过超时和中断机制降低死锁风险。

5. 小结

• ReentrantLock 的优势：
  • 比 synchronized 更灵活（如支持公平锁、中断、超时等）。
  • 提供显式锁控制，适合复杂并发场景。
• ReentrantLock 的缺点：
  • 显式调用 lock() 和 unlock()，容易出现忘记释放锁的问题。
  • 在简单场景下，synchronized 更适合，因为它会自动管理锁。

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