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Android锁

引言 🔒

在 Android 应用的开发过程中,随着业务需求的复杂度不断提升,多线程并发场景层出不穷。为了保证数据一致性与线程安全,锁(Lock)成为了不可或缺的工具。本篇博客将深入剖析 Android 中常用的锁机制、使用场景与最佳实践,并配以精炼的示例代码与示意图,帮助你快速掌握锁的精髓。


一、锁的基本概念

1. 什么是锁?

锁是一种同步机制,用于控制多个线程对共享资源的访问,确保在同一时刻只有一个线程能够进入临界区(Critical Section),从而避免数据竞争与不一致。

2. 锁的作用

  • 互斥访问:保证同一资源在同一时刻仅被一个线程修改。
  • 可见性保证:在释放锁后,修改对其他线程可见。
  • 阻塞与等待:线程无法获取锁时,会被挂起或进入等待队列,直至锁可用。

3. 为什么在 Android 开发中需要锁?

- UI 线程与后台线程交互需保证同步;
- 缓存、数据库、网络调用等资源共享需防止数据竞争;
- 多进程组件(ContentProvider、AIDL)之间的同步需求。


二、线程与并发基础知识回顾 🧵

在深入锁之前,先回顾 Android 常用的线程与并发工具:

  1. Thread:直接创建线程,使用 new Thread(runnable).start()
  2. Handler & Looper:用于在特定线程(通常是主线程)中传递消息与任务。
  3. HandlerThread:封装了 Looper 的后台线程。
  4. ExecutorService(线程池):包括 ThreadPoolExecutorScheduledThreadPoolExecutor 等,可复用线程,控制并发度。
// 简单线程池示例
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);
pool.submit(() -> {// 后台任务
});
pool.shutdown();

🔍 图示:线程模型示意图(伪代码注释提示)

[UI线程] <--Handler--> [HandlerThread] ---> ThreadPool

三、Java 中的锁机制 🧩

3.1 synchronized

  • 定义:Java 语言关键字,隐式获取对象或类的监视器锁。
  • 语法:方法锁、代码块锁。
// 方法锁
public synchronized void doWork() { ... }// 块锁
synchronized (lockObject) {// 临界区
}

✅ 优点:语法简洁,隐式释放锁;
⚠️ 缺点:不可中断、不支持公平锁、功能有限。

3.2 ReentrantLock

  • 定义:Java java.util.concurrent.locks 包中的可重入锁。
  • 特性:支持公平锁、可中断锁、尝试加锁(tryLock())。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // fair = true
try {lock.lockInterruptibly();// 临界区
} finally {lock.unlock();
}

🔄 可重入性:同一线程可多次获取锁;
⏰ 可中断:获取锁时可响应中断。

3.3 ReadWriteLock

  • 定义:读写分离锁,允许多个读线程并发,写线程独占。
ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();readLock.lock();
try { ... } finally { readLock.unlock(); }writeLock.lock();
try { ... } finally { writeLock.unlock(); }

📖 场景:读多写少的数据访问,如缓存读取。

3.4 Semaphore

  • 定义:计数信号量,控制同时访问某资源的线程数。
Semaphore sem = new Semaphore(3);
sem.acquire();
try { ... } finally { sem.release(); }

🎛️ 场景:限制并发连接数、线程池实现原理。

3.5 CountDownLatch

  • 定义:线程间等待工具,等待其他线程执行完毕后继续。
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(() -> {// 任务latch.countDown();}).start();
}
latch.await(); // 等待所有子线程完成

🔐 场景:并行准备+主线程等待。

3.6 CyclicBarrier

  • 定义:可循环使用的屏障,等待一组线程到达同一点后再继续。
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {// 全部线程到达后执行
});for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {// 工作barrier.await();}).start();
}

🚧 场景:多线程分阶段计算。


四、锁在 Android 开发中的典型应用场景 🧠

4.1 多线程更新 UI 的同步

  • 问题:Android UI 只能在主线程更新,后台线程需切换。
  • 方案:使用 runOnUiThread()Handlersynchronized 等保证顺序。
synchronized (uiLock) {runOnUiThread(() -> {// 更新 UI});
}

💡 示例图:UI线程与后台线程交互时序图。

4.2 数据缓存的并发访问控制

  • 场景:内存缓存如 LruCache,多线程同时读取和写入。
  • 方案ReadWriteLock 分离读写;或 ConcurrentHashMap
private final ReadWriteLock cacheLock = new ReentrantReadWriteLock();public Bitmap get(String key) {cacheLock.readLock().lock();try { return cache.get(key);}finally { cacheLock.readLock().unlock(); }
}

4.3 多进程同步

  • 场景:使用 ContentProvider 或 AIDL 实现进程间通信(IPC),需要同步访问共享资源。
  • 方案:在 ContentProvider 中使用数据库事务锁;在 AIDL 服务端使用 synchronizedReentrantLock

📦 图示:AIDL 服务多进程调用时序图。

4.4 网络请求和数据库操作的线程安全处理

  • 网络请求:使用 OkHttp 自带连接池,限制并发;
  • 数据库:Room 默认支持多线程读写,事务内操作自动加锁;
  • 手动加锁:对执行顺序敏感时,可使用 Semaphore 控制并发量。
Semaphore netSem = new Semaphore(10);
netSem.acquire();
try {Response resp = okHttpClient.newCall(request).execute();
} finally {netSem.release();
}

五、synchronized vs ReentrantLock 对比 📦

特性synchronizedReentrantLock
公平性不可选公平可选公平(fair 参数)
可中断不可中断支持 lockInterruptibly()
尝试加锁不支持支持 tryLock()
条件变量wait/notifyCondition 对象
性能JDK 自动优化需要手动释放锁

六、死锁与避免技巧 🔁

6.1 死锁的形成条件

  1. 互斥条件;
  2. 占有且等待;
  3. 不可剥夺;
  4. 循环等待;

6.2 常见案例

synchronized(a) {synchronized(b) { ... }
}synchronized(b) {synchronized(a) { ... }
}

6.3 预防方法

  • 锁顺序:统一的资源加锁顺序;
  • 定时锁尝试tryLock(timeout)
  • 资源分离:减少互斥区域;
  • 死锁检测:借助工具(MAT、ThreadMXBean)。

七、最佳实践建议 💡

  1. 尽量避免锁:优先使用无锁数据结构(ConcurrentHashMapAtomicXXX);
  2. 控制粒度:最小化同步块;
  3. 读写分离:多读少写场景优先 ReadWriteLock
  4. 使用线程池:减少线程创建销毁成本;
  5. 文档与注释:明确锁的作用与风险;
  6. 监控与调优:借助工具监测锁竞争;

八、实用示例代码 🧪

8.1 高性能缓存示例

public class SafeCache<K, V> {private final Map<K, V> cache = new HashMap<>();private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();public V get(K key) {lock.readLock().lock();try { return cache.get(key);}finally { lock.readLock().unlock(); }}public void put(K key, V value) {lock.writeLock().lock();try { cache.put(key, value);}finally { lock.writeLock().unlock(); }}
}

注释:读写分离,保证多线程并发读取高效。

8.2 定时死锁尝试示例

ReentrantLock lockA = new ReentrantLock();
ReentrantLock lockB = new ReentrantLock();void safeOperation() {try {if (lockA.tryLock(500, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {if (lockB.tryLock(500, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// 安全操作} finally { lockB.unlock(); }}} finally { lockA.unlock(); }}} catch (InterruptedException ignored) {}
}

九、高级内容拓展 🚀

9.1 Kotlin 协程与锁机制对比

  • 协程调度:轻量级线程,挂起而非阻塞;
  • Mutex:协程专用锁,支持 lockwithLock
val mutex = Mutex()
suspend fun safeWrite() {mutex.withLock {// 协程内安全写操作}
}

📊 对比表:传统锁 vs 协程 Mutex

9.2 使用 Channel 替代锁

  • 场景:消息传递代替共享内存;
val channel = Channel<Int>()
launch {for (msg in channel) { println(msg) }
}
launch {channel.send(42)
}

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