Java并发编程：Lock

在上一篇文章中我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题，从Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问，那就是Lock。

也许有朋友会问，既然都可以通过synchronized来实现同步访问了，那么为什么还需要提供Lock？这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起，然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口，最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西

synchronized的缺陷

使用wait()方法和notify()方法：

public class Test {    public static void main(String[] args)  {        final InsertData insertData = new InsertData();        new Thread(){            @Override            public void run() {                insertData.insert();            }        }.start();        new Thread(){            @Override            public void run() {                insertData.insert1();            }        }.start();        new Thread(){            @Override            public void run() {                insertData.insert2();            }        }.start();        new Thread(){            @Override            public void run() {                insertData.insert3();            }        }.start();    }}class InsertData {    private Object object = new Object();    public synchronized void insert(){        System.out.println("执行insert");        try {            Thread.sleep(5000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        try {            this.wait();        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行insert完毕");    }    public synchronized static void insert1() {        System.out.println("执行insert1");        System.out.println("执行insert1完毕");    }    public void insert2() {        synchronized (this) {            System.out.println("执行insert2");            System.out.println("执行insert2完毕");            this.notifyAll();        }    }    public void insert3() {        synchronized (object) {            System.out.println("执行insert3");            System.out.println("执行insert3完毕");        }    }}

执行insert执行insert1执行insert1完毕执行insert3执行insert3完毕执行insert2执行insert2完毕执行insert完毕

在上面一篇文章中，我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

　　1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
　　2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。
　　3）object.wait()方法

　　那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。
　　因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

　　另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

　　总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：
　　1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
　　2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

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java.util.concurrent.locks包下常用的类和接口

Lock接口

public interface Lock {    void lock();    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;    boolean tryLock();    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;    void unlock();    Condition newCondition();}

下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。

　　首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。
　　
　　Lock接口有3个实现它的类：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入锁、读锁和写锁。lock必须被显式地创建、锁定和释放，为了可以使用更多的功能，一般用ReentrantLock为其实例化。为了保证锁最终一定会被释放（可能会有异常发生），要把互斥区放在try语句块内，并在finally语句块中释放锁，尤其当有return语句时，return语句必须放在try字句中，以确保unlock（）不会过早发生，从而将数据暴露给第二个任务。
　　
　　由于在前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;lock.lock();try{    //处理任务}catch(Exception ex){}finally{    lock.unlock();   //释放锁}

　　tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

　　tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

　　所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;if(lock.tryLock()) {     try{         //处理任务     }catch(Exception ex){     }finally{         lock.unlock();   //释放锁     } }else {    //如果不能获取锁，则直接做其他事情}

　　lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {    lock.lockInterruptibly();    try {       //.....    }    finally {        lock.unlock();    }  }

注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程，如处在sleep过程中的线程。
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。
而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入锁”。实现了Lock接口的类。

（一）lock()的正确使用方法

import java.util.ArrayList;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test {    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();    public static void main(String[] args) {        final Test test = new Test();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();    }    public void insert(Thread thread) {        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方        lock.lock();        try {            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");            for(int i=0;i<5;i++) {                arrayList.add(i);            }        } catch (Exception e) {            // TODO: handle exception        }finally {            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");            lock.unlock();        }    }}

Thread-0得到了锁Thread-1得到了锁Thread-1释放了锁Thread-0释放了锁

也许有朋友会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。

知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。

import java.util.ArrayList;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test {    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方    public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();    }    public void insert(Thread thread) {        lock.lock();        try {            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");            for(int i=0;i<5;i++) {                arrayList.add(i);            }        } catch (Exception e) {            // TODO: handle exception        }finally {            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");            lock.unlock();        }    }}

Thread-0得到了锁Thread-0释放了锁Thread-1得到了锁Thread-1释放了锁

（二）tryLock()的使用方法

import java.util.ArrayList;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test {    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方    public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();        new Thread(){            public void run() {                test.insert(Thread.currentThread());            };        }.start();    }    public void insert(Thread thread) {        if(lock.tryLock()) {            try {                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");//                Thread.sleep(2000);  //Thread-0得到了锁  Thread-1获取锁失败  Thread-0释放了锁                for(int i=0;i<5;i++) {                    arrayList.add(i);                }            } catch (Exception e) {                // TODO: handle exception            }finally {                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");                lock.unlock();            }        } else {            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");        }    }}

（三）lockInterruptibly()响应中断的使用方法

import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test {    private Lock lock = new ReentrantLock();    public static void main(String[] args)  {        Test test = new Test();        MyThread thread1 = new MyThread(test);        MyThread thread2 = new MyThread(test);        thread1.start();        thread2.start();        try {            Thread.sleep(2000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        thread2.interrupt();    }    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出        try {            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");            long startTime = System.currentTimeMillis();            for(    ;     ;) {                if(System.currentTimeMillis() - startTime >= 6000) //Integer.MAX_VALUE                    break;                //插入数据            }        }        finally {            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");            lock.unlock();            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");        }    }}class MyThread extends Thread {    private Test test = null;    public MyThread(Test test) {        this.test = test;    }    @Override    public void run() {        try {            test.insert(Thread.currentThread());        } catch (InterruptedException e) {            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");        }    }}

Thread-0得到了锁Thread-1被中断Thread-0执行finallyThread-0释放了锁

运行之后，发现thread2能够被正确中断。

ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {    /**     * Returns the lock used for reading.     *     * @return the lock used for reading.     */    Lock readLock();    /**     * Returns the lock used for writing.     *     * @return the lock used for writing.     */    Lock writeLock();}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个方法：readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。

下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。

假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下synchronized达到的效果：

public class Test {    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();    public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();        new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();        new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();    }      public synchronized void get(Thread thread) {        long start = System.currentTimeMillis();        while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {            System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");        }        System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");    }}

　　而改成用读写锁的话：

public class Test {    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();    public static void main(String[] args)  {        final Test test = new Test();        new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();        new Thread(){            public void run() {                test.get(Thread.currentThread());            };        }.start();    }      public void get(Thread thread) {        rwl.readLock().lock();        try {            long start = System.currentTimeMillis();            while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {                System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");            }            System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");        } finally {            rwl.readLock().unlock();        }    }}

说明thread1和thread2在同时进行读操作。　　这样就大大提升了读操作的效率。　　不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。　　如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。　　关于ReentrantReadWriteLock类中的其他方法感兴趣的朋友可以自行查阅API文档。

Lock和synchronized的选择

总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

　　1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
　　2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

1、synchronized是关键字，就和if…else…一样，是语法层面的实现，因此synchronized获取锁以及释放锁都是Java虚拟机帮助用户完成的；**ReentrantLock是类层面的实现，因此锁的获取以及锁的释放都需要用户自己去操作。特别再次提醒，**ReentrantLock在lock()完了，一定要手动unlock()

2、synchronized简单，简单意味着不灵活，而ReentrantLock的锁机制给用户的使用提供了极大的灵活性。这点在Hashtable和ConcurrentHashMap中体现得淋漓尽致。synchronized一锁就锁整个Hash表，而ConcurrentHashMap则利用ReentrantLock实现了锁分离，锁的是segment而不是整个Hash表

3、synchronized是不公平锁，而ReentrantLock可以指定锁是公平的还是非公平的

4、synchronized实现等待/通知机制通知的线程是随机的，ReentrantLock实现等待/通知机制可以有选择性地通知

5、和synchronized相比，ReentrantLock提供给用户多种方法用于锁信息的获取，比如可以知道lock是否被当前线程获取、lock被同一个线程调用了几次、lock是否被任意线程获取等等

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锁的相关概念介绍

可重入锁

如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。

class MyClass {    public synchronized void method1() {        method2();    }    public synchronized void method2() {    }}

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了，假如某一时刻，线程A执行到了method1，此时线程A获取了这个对象的锁，而由于method2也是synchronized方法，假如synchronized不具备可重入性，此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题，因为线程A已经持有了该对象的锁，而又在申请获取该对象的锁，这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。
而由于synchronized和Lock都具备可重入性，所以不会发生上述现象。

可中断锁

可中断锁：顾名思义，就是可以相应中断的锁。

在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。

　　如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。

在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

公平锁

　　公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该锁，这种就是公平锁。

　　非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
　　

在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

ReentrantLock类中：

    /**     * Sync object for non-fair locks     */    static final class NonfairSync extends Sync {        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;        /**         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal         * acquire on failure.         */        final void lock() {            if (compareAndSetState(0, 1))                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());            else                acquire(1);        }        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            return nonfairTryAcquire(acquires);        }    }    /**     * Sync object for fair locks     */    static final class FairSync extends Sync {        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;        final void lock() {            acquire(1);        }        /**         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless         * recursive call or no waiters or is first.         */        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {            final Thread current = Thread.currentThread();            int c = getState();            if (c == 0) {                if (!hasQueuedPredecessors() &&                    compareAndSetState(0, acquires)) {                    setExclusiveOwnerThread(current);                    return true;                }            }            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {                int nextc = c + acquires;                if (nextc < 0)                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");                setState(nextc);                return true;            }            return false;        }    }    /**     * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.     * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.     */    public ReentrantLock() {        sync = new NonfairSync();    }    /**     * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the     * given fairness policy.     *     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy     */    public ReentrantLock(boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();    }

在ReentrantLock中定义了2个静态内部类，一个是NotFairSync，一个是FairSync，分别用来实现非公平锁和公平锁。
　　我们可以在创建ReentrantLock对象时，通过以下方式来设置锁的公平性：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

　　如果参数为true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。

　　另外在ReentrantLock类中定义了很多方法，比如：

　　isFair() //判断锁是否是公平锁

　　isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了

　　isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了

　　hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁

　　在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法，同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住，ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口，它实现的是ReadWriteLock接口。

读写锁

　　读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。
　　正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
　　ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
　　可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。

　　http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17487337

　　http://houlinyan.iteye.com/blog/1112535

　　http://ifeve.com/locks/

　　http://ifeve.com/read-write-locks/

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