Java并发之Lock简介

Java并发之Lock简介

通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:

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

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。

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。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:

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Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
// 处理异常
}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。

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Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
// 处理异常
}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。

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

当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。因为本身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。

ReentrantLock

ReentrantLock,意思是“可重入锁”,ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类。下面是一个简单的使用例子:

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class X {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 每个对象持有同一个lock变量
public void m() {
lock.lock(); // block until condition holds
try {
// ... method body
finally {
lock.unlock()
}
}
}}

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。举个例子: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。

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。

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)会获得该所,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。

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:

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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。

ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:

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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。ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

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。

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。

Condition

在Condition中,用await()替换wait(),用signal()替换notify(),用signalAll()替换notifyAll(),传统线程的通信方式,Condition都可以实现,这里注意,Condition是被绑定到Lock上的,要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition, 使用synchronized/wait()只有一个阻塞队列,notifyAll会唤起所有阻塞队列下的线程,而使用lock/condition,可以实现多个阻塞队列,signalAll只会唤起某个阻塞队列下的阻塞线程。

下面用两种方式编写生产者/消费者模式代码加以说明:

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class Buffer {
private int maxSize;
private List<Date> storage;
Buffer(int size){
maxSize=size;
storage=new LinkedList<>();
}
//生产方法
public synchronized void put() {
try {
while (storage.size() ==maxSize ){//如果队列满了
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": wait \n");;
wait();//阻塞线程
}
storage.add(new Date());
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": put:"+storage.size()+ "\n");
Thread.sleep(1000);
notifyAll();//唤起线程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//消费方法
public synchronized void take() {
try {
while (storage.size() ==0 ){//如果队列空了
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": wait \n");;
wait();//阻塞线程
}
Date d=((LinkedList<Date>)storage).poll();
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": take:"+storage.size()+ "\n");
Thread.sleep(1000);
notifyAll();//唤起线程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

// **************************************************************************************
class Buffer {
private final Lock lock;
private final Condition notFull;
private final Condition notEmpty;
private int maxSize;
private List<Date> storage;
Buffer(int size){
//使用锁lock,并且创建两个condition,相当于两个阻塞队列
lock=new ReentrantLock();
notFull=lock.newCondition();
notEmpty=lock.newCondition();
maxSize=size;
storage=new LinkedList<>();
}
public void put() {
lock.lock();
try {
while (storage.size() ==maxSize ){//如果队列满了
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": wait \n");;
notFull.await();//阻塞生产线程
}
storage.add(new Date());
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": put:"+storage.size()+ "\n");
Thread.sleep(1000);
notEmpty.signalAll();//唤醒消费线程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
lock.unlock();
}
}

public void take() {
lock.lock();
try {
while (storage.size() ==0 ){//如果队列空了
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": wait \n");;
notEmpty.await();//阻塞消费线程
}
Date d=((LinkedList<Date>)storage).poll();
System.out.print(Thread.currentThread().getName()+": take:"+storage.size()+ "\n");
Thread.sleep(1000);
notFull.signalAll();//唤醒生产线程

} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
lock.unlock();
}
}
}

LockSupport

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础,它们底层其实都是依赖Unsafe实现。

LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞,LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1,0的开关,默认是0,调用一次unpark就加1变成1,调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0,同时park立即返回。再次调用park会变成block(因为permit为0了,会阻塞在这里,直到permit变为1), 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个,重复调用unpark也不会积累。

park()和unpark()不会有 “Thread.suspend和Thread.resume所可能引发的死锁” 问题,由于许可的存在,调用 park 的线程和另一个试图将其 unpark 的线程之间的竞争将保持活性。

如果调用线程被中断,则park方法会返回。同时park也拥有可以设置超时时间的版本。

需要特别注意的一点:park 方法还可以在其他任何时间“毫无理由”地返回,因此通常必须在重新检查返回条件的循环里调用此方法。从这个意义上说,park 是“忙碌等待”的一种优化,它不会浪费这么多的时间进行自旋,但是必须将它与 unpark 配对使用才更高效。

三种形式的 park 还各自支持一个 blocker 对象参数。此对象在线程受阻塞时被记录,以允许监视工具和诊断工具确定线程受阻塞的原因。(这样的工具可以使用方法 getBlocker(java.lang.Thread) 访问 blocker。)建议最好使用这些形式,而不是不带此参数的原始形式。在锁实现中提供的作为 blocker 的普通参数是 this。

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// java Doc 中的实例,一个先进先出非重入锁类的框架
class FIFOMutex {
private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
private final Queue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();
public void lock() {
boolean wasInterrupted = false;
Thread current = Thread.currentThread();
waiters.add(current);

// Block while not first in queue or cannot acquire lock
while (waiters.peek() != current ||
!locked.compareAndSet(false, true)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted()) // ignore interrupts while waiting
wasInterrupted = true;
}

waiters.remove();
if (wasInterrupted) // reassert interrupt status on exit
current.interrupt();
}
public void unlock() {
locked.set(false);
LockSupport.unpark(waiters.peek());
}
}}
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