Java并发编程深入学习——Lock锁

Lock锁介绍

  在Java 5.0之前，在协调对共享对象的访问时可以使用的机制只有synchronized和volatile。Java 5.0 增加了一种新的机制：ReentrantLock.它并不是一种替代内置加锁的方法，而是当内置加锁机制不适用时，作为一种可选择的高级功能。

Lock接口

Lock接口位于java.util.concurrent.locks包中，它定义了一组抽象的加锁操作。

public interface Lock {    //获取锁    void lock();    // 如果当前线程未被中断，则获取锁    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;    //仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁//如果锁可用，则获取锁，并立即返回值 true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值 false    boolean tryLock();  //如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;   //释放锁    void unlock();    //返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例    Condition newCondition();}

  ReetrantLock 实现了Lock接口，并提供了与synchronized相同的互斥性和内存可见性，在获取ReentrantLock时，有着与进入同步代码块相同的内存语义，在释放ReentrantLock时，同样有着与退出同步代码块相同的内存语义。

lock锁与synchronized锁对比

为什么要创建一种与内置锁如此相似的新加锁机制？在大多数情况下，内置锁都能很好地工作，但在功能上存在一些局限性。

1. 内置锁无法中断一个正在等待获取锁的线程，或者无法在请求获取一个锁时无限地等待下去。
2. 内置锁必须在获取该锁的代码块中释放，这虽然简化了编码工作，并且与异常处理操作实现了很好的交互，但却无法实现非阻塞结构的加锁规则。

所以需要一种更加灵活的加锁机制，lock锁便应运而生。

Lock锁的标准使用形式如下：

Lock lock = new ReentrantLock();      if (lock.tryLock()) {//尝试获取锁          try {              //更新对象状态              //捕获异常，并在必要时恢复不变性条件          } finally {              lock.unlock();//注意要记得释放锁          }      } else {          // 获取锁失败执行其他操作      }

如果没有使用finally来释放Lock,那么程序出错时，将很难追踪到最初发生错误的位置，因为没有记录应该释放锁的位置和时间。

这一点也是ReetrantLock不能完全替代synchronized的原因，因为它更加危险，程序并没有自动清除锁的机制，使用起来需要格外小心。

锁的分类

1.可重入锁

  当某一个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发去请求的线程就会阻塞。由于内置锁可重入特性的存在，如果某个线程视图获得一个已经由它自己持有的锁，那么这个请求却会成功。

  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，重入性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。

重入锁的实现机制如下：

  为每个锁关联一个获取计数值和一个所有者线程。当计数器为0时这个锁被认为没有被任何线程持有。当线程请求一个未被持有的锁时，JVM将记下锁的持有者，并且将获取计数器置为1。如果同一个线程再次获取这个锁，计数器将递增，而当线程退出同步代码块时，计数器会相应地递减。当计数器为0时，这个锁将被释放。

　　可举个简单的例子，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。

　　看下面这段代码就明白了：

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。

2.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。

　　下面的例子展示了中断锁的场景。

public class TestLockInterrupt {    private static Lock lock = new ReentrantLock();    public static void main(String[] args) {        final TestLockInterrupt test = new TestLockInterrupt();        Thread ta = new Thread() {            @Override            public void run() {                System.out.println("A线程启动了!->准备打印....");                try {                    test.print("A", "aaaa");                } catch (InterruptedException e) {                    System.out.println("A线程收到中断异常");                }            }        };        Thread tb = new Thread() {            @Override            public void run() {                System.out.println("B线程启动了!->准备打印...");                try {                    test.print("B", "bbbb");                } catch (InterruptedException e) {                    System.out.println("B线程收到中断异常");                }            }        };        ta.start();        tb.start();        try {            Thread.sleep(2000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        //判定Lock是否还被某个线程持有        if (((ReentrantLock) lock).isLocked()) {            System.out.println("等了两秒还没有获得锁,直接中断!");            tb.interrupt();        }    }    public void print(String tName, String content) throws InterruptedException {        lock.lockInterruptibly();        try {            //lock.lock();            System.out.println("线程" + tName + "获取锁并打印内容" + content);            //模拟耗时操作,使某个线程能够在较长时间独占锁            Thread.currentThread().sleep(5000);            //int i = 1;           // while (i < 1000000000) {            //    i++;           // }        } finally {            lock.unlock();            System.out.println("线程" + tName + "释放了锁");        }    }}

运行结果

A线程启动了!->准备打印....线程A获取锁并打印内容aaaaB线程启动了!->准备打印...等了两秒还没有获得锁,直接中断!B线程收到中断异常线程A释放了锁

3.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。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。

这两个类的定义如下：

 /**     * 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;        }    }

　　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。
　　

其他常用方法

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。

4.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。这个接口定义如下：
　　

　　public interface ReadWriteLock {       //获取读锁        Lock readLock();    //获取写锁       Lock writeLock();    }

下面的例子展示了读写锁的一些基本用法和特性。

public class TestMain {    public static void main(String[] args) {        ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();        final Lock readLock = lock.readLock();        final Lock writeLock = lock.writeLock();        final Resource resource = new Resource();        final Random random = new Random();        for (int i = 0; i < 20; ++i)        {//写线程            new Thread() {                public void run() {                    writeLock.lock();                    try {                        resource.setValue(resource.getValue() + 1);                        System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS").format(new Date()) + " - " + Thread.currentThread() + "获取了写锁，修正数据为：" + resource.getValue());                        Thread.sleep(random.nextInt(1000));//随机休眠                    } catch (Exception e) {                        e.printStackTrace();                    } finally {                        writeLock.unlock();                    }                }            }.start();        }        for (int i = 0; i < 20; ++i)        {//读线程            new Thread() {                public void run() {                    readLock.lock();                    try {                        System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS").format(new Date()) + " - " + Thread.currentThread() + "获取了读锁，读取的数据为：" + resource.getValue());                        Thread.sleep(random.nextInt(1000));//随机休眠                    } catch (Exception e) {                        e.printStackTrace();                    } finally {                        readLock.unlock();                    }                }            }.start();        }    }}//资源类定义class Resource {    private int value;    public void setValue(int value) {        this.value = value;    }    public int getValue() {        return value;    }}

运行结果

2016-09-13 10:16:59.947 - Thread[Thread-0,5,main]获取了写锁，修正数据为：12016-09-13 10:17:00.829 - Thread[Thread-1,5,main]获取了写锁，修正数据为：22016-09-13 10:17:01.502 - Thread[Thread-2,5,main]获取了写锁，修正数据为：32016-09-13 10:17:01.952 - Thread[Thread-3,5,main]获取了写锁，修正数据为：42016-09-13 10:17:02.641 - Thread[Thread-4,5,main]获取了写锁，修正数据为：52016-09-13 10:17:03.389 - Thread[Thread-5,5,main]获取了写锁，修正数据为：62016-09-13 10:17:04.380 - Thread[Thread-6,5,main]获取了写锁，修正数据为：72016-09-13 10:17:05.377 - Thread[Thread-7,5,main]获取了写锁，修正数据为：82016-09-13 10:17:06.306 - Thread[Thread-8,5,main]获取了写锁，修正数据为：92016-09-13 10:17:06.470 - Thread[Thread-9,5,main]获取了写锁，修正数据为：102016-09-13 10:17:06.696 - Thread[Thread-10,5,main]获取了写锁，修正数据为：112016-09-13 10:17:06.911 - Thread[Thread-11,5,main]获取了写锁，修正数据为：122016-09-13 10:17:07.141 - Thread[Thread-12,5,main]获取了写锁，修正数据为：132016-09-13 10:17:07.170 - Thread[Thread-13,5,main]获取了写锁，修正数据为：142016-09-13 10:17:07.449 - Thread[Thread-14,5,main]获取了写锁，修正数据为：152016-09-13 10:17:07.939 - Thread[Thread-15,5,main]获取了写锁，修正数据为：162016-09-13 10:17:08.252 - Thread[Thread-16,5,main]获取了写锁，修正数据为：172016-09-13 10:17:08.798 - Thread[Thread-17,5,main]获取了写锁，修正数据为：182016-09-13 10:17:09.119 - Thread[Thread-18,5,main]获取了写锁，修正数据为：192016-09-13 10:17:09.353 - Thread[Thread-19,5,main]获取了写锁，修正数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-20,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-21,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-22,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-23,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-24,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-25,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-26,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.336 - Thread[Thread-27,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-28,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-29,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-30,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-31,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-32,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.337 - Thread[Thread-33,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-34,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-35,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-36,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-37,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-38,5,main]获取了读锁，读取的数据为：202016-09-13 10:17:10.338 - Thread[Thread-39,5,main]获取了读锁，读取的数据为：20

从运行结果可以看到，写操作被互斥访问执行，而读操作同一时刻并发执行，加快了程序运行效率，这也完全符合我们的认识，读操作并不涉及数据变更，不存在同步的问题，而synchronized的机制尚不能做到这点。

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参考资料
1. 《Java并发编程实践》
2. 《Java编程思想》
3. Java并发编程：Lock
4. Java多线程系列–“JUC锁”01之 框架