Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock (r)

本章对ReentrantLock包进行基本介绍，这一章主要对ReentrantLock进行概括性的介绍，内容包括：
ReentrantLock介绍
ReentrantLock函数列表
ReentrantLock示例
在后面的两章，会分别介绍ReentrantLock的两个子类(公平锁和非公平锁)的实现原理。
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ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

 

ReentrantLock函数列表

// 创建一个 ReentrantLock ，默认是“非公平锁”。ReentrantLock()// 创建策略是fair的 ReentrantLock。fair为true表示是公平锁，fair为false表示是非公平锁。ReentrantLock(boolean fair)// 查询当前线程保持此锁的次数。int getHoldCount()// 返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回 null。protected Thread getOwner()// 返回一个 collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。protected Collection<Thread> getQueuedThreads()// 返回正等待获取此锁的线程估计数。int getQueueLength()// 返回一个 collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)// 返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。int getWaitQueueLength(Condition condition)// 查询给定线程是否正在等待获取此锁。boolean hasQueuedThread(Thread thread)// 查询是否有些线程正在等待获取此锁。boolean hasQueuedThreads()// 查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。boolean hasWaiters(Condition condition)// 如果是“公平锁”返回true，否则返回false。boolean isFair()// 查询当前线程是否保持此锁。boolean isHeldByCurrentThread()// 查询此锁是否由任意线程保持。boolean isLocked()// 获取锁。void lock()// 如果当前线程未被中断，则获取锁。void lockInterruptibly()// 返回用来与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。Condition newCondition()// 仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。boolean tryLock()// 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁。boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)// 试图释放此锁。void unlock()

 

ReentrantLock示例

通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用

示例1

 1 import java.util.concurrent.locks.Lock; 2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 3  4 // LockTest1.java 5 // 仓库 6 class Depot {  7     private int size;        // 仓库的实际数量 8     private Lock lock;        // 独占锁 9 10     public Depot() {11         this.size = 0;12         this.lock = new ReentrantLock();  //保护size13     }14 15     public void produce(int val) {16         lock.lock();17         try {18             size += val;   19             System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 20                     Thread.currentThread().getName(), val, size);21         } finally {22             lock.unlock();23         }24     }25 26     public void consume(int val) {27         lock.lock();28         try {29             size -= val;30             System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 31                     Thread.currentThread().getName(), val, size);32         } finally {33             lock.unlock();34         }35     }36 }; 37 38 // 生产者39 class Producer {40     private Depot depot;41     42     public Producer(Depot depot) {43         this.depot = depot;44     }45 46     // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。47     public void produce(final int val) {48         new Thread() {49             public void run() {50                 depot.produce(val);51             }52         }.start();53     }54 }55 56 // 消费者57 class Customer {58     private Depot depot;59     60     public Customer(Depot depot) {61         this.depot = depot;62     }63 64     // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。65     public void consume(final int val) {66         new Thread() {67             public void run() {68                 depot.consume(val);69             }70         }.start();71     }72 }73 74 public class LockTest1 {  75     public static void main(String[] args) {  76         Depot mDepot = new Depot();77         Producer mPro = new Producer(mDepot);78         Customer mCus = new Customer(mDepot);79 80         mPro.produce(60);81         mPro.produce(120);82         mCus.consume(90);83         mCus.consume(150);84         mPro.produce(110);85     }86 }

运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=60Thread-1 produce(120) --> size=180Thread-3 consume(150) <-- size=30Thread-2 consume(90) <-- size=-60Thread-4 produce(110) --> size=50

结果分析：
(01) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。
(02) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(03) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(04) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！

这个模型存在两个问题：
(01) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！
(02) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！
这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。

 

示例2

 1 import java.util.concurrent.locks.Lock; 2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 3  4 // LockTest2.java 5 // 仓库 6 class Depot {  7     private int size;        // 仓库的实际数量 8     private Lock lock;        // 独占锁 9 10     public Depot() {11         this.size = 0;12         this.lock = new ReentrantLock();13     }14 15     public void produce(int val) {16 //        lock.lock();17 //        try {18             size += val;19             System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 20                     Thread.currentThread().getName(), val, size);21 //        } catch (InterruptedException e) {22 //        } finally {23 //            lock.unlock();24 //        }25     }26 27     public void consume(int val) {28 //        lock.lock();29 //        try {30             size -= val;31             System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 32                     Thread.currentThread().getName(), val, size);33 //        } finally {34 //            lock.unlock();35 //        }36     }37 }; 38 39 // 生产者40 class Producer {41     private Depot depot;42     43     public Producer(Depot depot) {44         this.depot = depot;45     }46 47     // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。48     public void produce(final int val) {49         new Thread() {50             public void run() {51                 depot.produce(val);52             }53         }.start();54     }55 }56 57 // 消费者58 class Customer {59     private Depot depot;60     61     public Customer(Depot depot) {62         this.depot = depot;63     }64 65     // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。66     public void consume(final int val) {67         new Thread() {68             public void run() {69                 depot.consume(val);70             }71         }.start();72     }73 }74 75 public class LockTest2 {  76     public static void main(String[] args) {  77         Depot mDepot = new Depot();78         Producer mPro = new Producer(mDepot);79         Customer mCus = new Customer(mDepot);80 81         mPro.produce(60);82         mPro.produce(120);83         mCus.consume(90);84         mCus.consume(150);85         mPro.produce(110);86     }87 }

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=-60Thread-4 produce(110) --> size=50Thread-2 consume(90) <-- size=-60Thread-1 produce(120) --> size=-60Thread-3 consume(150) <-- size=-60

结果说明：
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。

 

示例3

在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。

  1 import java.util.concurrent.locks.Lock;  2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  3 import java.util.concurrent.locks.Condition;  4   5 // LockTest3.java  6 // 仓库  7 class Depot {  8     private int capacity;    // 仓库的容量  9     private int size;        // 仓库的实际数量 10     private Lock lock;        // 独占锁 11     private Condition fullCondtion;            // 生产条件 12     private Condition emptyCondtion;        // 消费条件 13  14     public Depot(int capacity) { 15         this.capacity = capacity; 16         this.size = 0; 17         this.lock = new ReentrantLock(); 18         this.fullCondtion = lock.newCondition(); 19         this.emptyCondtion = lock.newCondition(); 20     } 21  22     public void produce(int val) { 23         lock.lock(); 24         try { 25              // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产) 26             int left = val; 27             while (left > 0) { 28                 // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。 29                 while (size >= capacity) 30                     fullCondtion.await(); 31                 // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量) 32                 // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库) 33                 // 否则“实际增量”=“想要生产的数量” 34                 int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left; 35                 size += inc; 36                 left -= inc; 37                 System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",  38                         Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size); 39                 // 通知“消费者”可以消费了。 40                 emptyCondtion.signal(); 41             } 42         } catch (InterruptedException e) { 43         } finally { 44             lock.unlock(); 45         } 46     } 47  48     public void consume(int val) { 49         lock.lock(); 50         try { 51             // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费) 52             int left = val; 53             while (left > 0) { 54                 // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。 55                 while (size <= 0) 56                     emptyCondtion.await(); 57                 // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量) 58                 // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”； 59                 // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。 60                 int dec = (size<left) ? size : left; 61                 size -= dec; 62                 left -= dec; 63                 System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",  64                         Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size); 65                 fullCondtion.signal(); 66             } 67         } catch (InterruptedException e) { 68         } finally { 69             lock.unlock(); 70         } 71     } 72  73     public String toString() { 74         return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size; 75     } 76 };  77  78 // 生产者 79 class Producer { 80     private Depot depot; 81      82     public Producer(Depot depot) { 83         this.depot = depot; 84     } 85  86     // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。 87     public void produce(final int val) { 88         new Thread() { 89             public void run() { 90                 depot.produce(val); 91             } 92         }.start(); 93     } 94 } 95  96 // 消费者 97 class Customer { 98     private Depot depot; 99     100     public Customer(Depot depot) {101         this.depot = depot;102     }103 104     // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。105     public void consume(final int val) {106         new Thread() {107             public void run() {108                 depot.consume(val);109             }110         }.start();111     }112 }113 114 public class LockTest3 {  115     public static void main(String[] args) {  116         Depot mDepot = new Depot(100);117         Producer mPro = new Producer(mDepot);118         Customer mCus = new Customer(mDepot);119 120         mPro.produce(60);121         mPro.produce(120);122         mCus.consume(90);123         mCus.consume(150);124         mPro.produce(110);125     }126 }

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50

代码中的已经包含了很详细的注释，这里就不再说明了。
更多“生产者/消费者模型”的更多内容，可以参考“Java多线程系列--“基础篇”11之 生产消费者问题”。
而关于Condition的内容，在后面我们会详细介绍。

 

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更多内容

1. Java多线程系列--“JUC锁”01之 框架

2. Java多线程系列目录(共xx篇)