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BinarySemaphore和ReentrantLock傻傻分不清！

1. 引言

在本教程中，我們將探討二進制信號量(Binary Semaphore)和可重入鎖(Reentrant Lock)。另外，我們會將它們相互比較，看看哪一個最適合常見情況。

2. 什么是二進制信號量

二進制信號量在單個資源的訪問上提供信令機制。換句話說，二進制信號量提供了一種互斥機制，一次只允許一個線程訪問一個關(guān)鍵部分。它只保留一個通行證，因此二進制信號量只有兩種狀態(tài)：可用(count=1) 和不可用(count=0)。

我們使用Java中的 Semaphore 類來討論一個簡單的二進制信號量的實現(xiàn) ：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Semaphore binarySemaphore = new Semaphore(1); 
    2.   
  
  
  
  2. try { 
    3.   
  
  
  
  3.     binarySemaphore.acquire(); 
    4.   
  
  
  
  4.     assertEquals(0, binarySemaphore.availablePermits()); 
    5.   
  
  
  
  5. } catch (InterruptedException e) { 
    6.   
  
  
  
  6.     e.printStackTrace(); 
    7.   
  
  
  
  7. } finally { 
    8.   
  
  
  
  8.     binarySemaphore.release(); 
    9.   
  
  
  
  9.     assertEquals(1, binarySemaphore.availablePermits()); 
    10.   
  
  
  
  10. } 
    11.

在這里，我們可以觀察到，acquire方法將可用許可減少了一個。類似地，release方法將可用許可增加1。

另外，Semaphore 類提供了 fairness 參數(shù)。當設(shè)置為true時，fairness 參數(shù)確保請求線程獲取許可的順序(基于它們的等待時間)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Semaphore binarySemaphore = new Semaphore(1, true); 
    2.

3. 什么是重入鎖?

可重入鎖是一種互斥機制，允許線程在沒有死鎖的情況下(多次)重入資源上的鎖。

進入鎖的線程每次增加一個持有計數(shù)。類似地，請求解鎖時持有計數(shù)減少。因此，資源被鎖定，直到計數(shù)器返回到零。例如，讓我們看一個使用Java中 ReentrantLock 類的簡單實現(xiàn)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(); 
    2.   
  
  
  
  2. try { 
    3.   
  
  
  
  3.     reentrantLock.lock(); 
    4.   
  
  
  
  4.     assertEquals(1, reentrantLock.getHoldCount()); 
    5.   
  
  
  
  5.     assertEquals(true, reentrantLock.isLocked()); 
    6.   
  
  
  
  6. } finally { 
    7.   
  
  
  
  7.     reentrantLock.unlock(); 
    8.   
  
  
  
  8.     assertEquals(0, reentrantLock.getHoldCount()); 
    9.   
  
  
  
  9.     assertEquals(false, reentrantLock.isLocked()); 
    10.   
  
  
  
  10. } 
    11.

這里，lock方法將持有計數(shù)增加1，并鎖定資源。類似地，unlock方法減少持有計數(shù)，如果持有計數(shù)為零，則解鎖資源。當線程重新進入鎖時，它必須請求相同次數(shù)的解鎖以釋放資源：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. reentrantLock.lock(); 
    2.   
  
  
  
  2. reentrantLock.lock(); 
    3.   
  
  
  
  3. assertEquals(2, reentrantLock.getHoldCount()); 
    4.   
  
  
  
  4. assertEquals(true, reentrantLock.isLocked()); 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. reentrantLock.unlock(); 
    7.   
  
  
  
  7. assertEquals(1, reentrantLock.getHoldCount()); 
    8.   
  
  
  
  8. assertEquals(true, reentrantLock.isLocked()); 
    9.   
  
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  
  10. reentrantLock.unlock(); 
    11.   
  
  
  
  11. assertEquals(0, reentrantLock.getHoldCount()); 
    12.   
  
  
  
  12. assertEquals(false, reentrantLock.isLocked()); 
    13.

與Semaphore類類似，ReentrantLock類也支持 fairness 參數(shù)：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); 
    2.

4. 二進制信號量與重入鎖

4.1. 機制

二進制信號量是一種信令機制，而可重入鎖是一種鎖定機制。

4.2.所有權(quán)

沒有線程是二進制信號量的所有者。但是，成功鎖定資源的最后一個線程是可重入鎖的所有者。

4.3. 本質(zhì)

二進制信號量本質(zhì)上是不可重入的，這意味著同一個線程不能重新獲取關(guān)鍵部分，否則會導(dǎo)致死鎖。另一方面，可重入鎖本質(zhì)上允許同一線程多次重入鎖。

4.4. 靈活性

二進制信號量通過允許鎖定機制和死鎖恢復(fù)的自定義實現(xiàn)，提供了更高級別的同步機制。因此，它為開發(fā)人員提供了更多的控制。然而，可重入鎖則是一種低級同步，具有固定的鎖機制。

4.5. 可修改性

二進制信號量支持 wait 和 signal(在Java的Semaphore類中獲取和釋放)等操作，以允許任何進程修改可用的許可證。另一方面，只有鎖定/解鎖資源的同一線程才能修改可重入鎖。

4.6. 死鎖恢復(fù)

二進制信號量提供了一種非所有權(quán)釋放機制。因此，任何線程都可以釋放二進制信號量的死鎖恢復(fù)許可。

相反，在重入鎖的情況下很難實現(xiàn)死鎖恢復(fù)。例如，如果可重入鎖的所有者線程進入睡眠或無限等待狀態(tài)，就不可能釋放資源，從而導(dǎo)致死鎖情況。

5. 總結(jié)

在這篇短文中，我們探討了二進制信號量和可重入鎖。

首先，我們討論了二進制信號量和可重入鎖的基本定義，以及Java中的基本實現(xiàn)。然后，我們根據(jù)機制、所有權(quán)和靈活性等參數(shù)對它們進行了比較。

我們可以肯定地得出結(jié)論二進制信號量為互斥提供了一種基于非所有權(quán)的信令機制。同時，它還可以進一步擴展，以提供鎖定功能和容易的死鎖恢復(fù)。

另一方面，可重入鎖提供了具有基于所有者的鎖定功能的可重入互斥，作為簡單的互斥鎖非常有用。

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