Java并发编程:Lock
一.synchronized的缺陷
synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢?
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。
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。
再举个例子:当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:
如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,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。
二.java.util.concurrent.locks包下常用的类
1.Lock
首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:
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。
在Lock中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?
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。
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。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,也就是说当两个线程同时通过lock.lockInterruptily()方法想获取某个锁时,假如此时线程A获得了锁,而线程B只有等待,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lockInterruptily()的声明中抛出了异常,所以lock.lockInterruptily()必须放在try块中或者在调用lockInterruptily的方法的外部声明抛出。
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。
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。
2.ReentrantLock
ReentrantLock,可重入锁,ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并提供了更多的方法。
例子1,lock()的正确使用方法
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,局部变量 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(); } } }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
Thread-0得到了锁 Thread-1得到了锁 Thread-0释放了锁 Thread-1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:
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(); } } }
例子2,tryLock()的使用方法
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"); 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"); } } }
Thread-0得到了锁 Thread-1获取锁失败 Thread-0释放了锁
例子3,lockInterruptibly()响应中断的使用方法:
1 public class Test { 2 private Lock lock = new ReentrantLock(); 3 public static void main(String[] args) { 4 Test test = new Test(); 5 MyThread thread1 = new MyThread(test); 6 MyThread thread2 = new MyThread(test); 7 thread1.start(); 8 thread2.start(); 9 10 try { 11 Thread.sleep(2000); 12 } catch (InterruptedException e) { 13 e.printStackTrace(); 14 } 15 thread2.interrupt(); 16 } 17 18 public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{ 19 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 20 try { 21 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁"); 22 long startTime = System.currentTimeMillis(); 23 for( ; ;) { 24 if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE) 25 break; 26 //插入数据 27 } 28 } 29 finally { 30 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally"); 31 lock.unlock(); 32 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁"); 33 } 34 } 35 } 36 37 class MyThread extends Thread { 38 private Test test = null; 39 public MyThread(Test test) { 40 this.test = test; 41 } 42 @Override 43 public void run() { 44 45 try { 46 test.insert(Thread.currentThread()); 47 } catch (InterruptedException e) { 48 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断"); 49 } 50 } 51 }
3.ReadWriteLock
ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:
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。
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"); } }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0读操作完毕 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1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(); } } }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0正在进行读操作 Thread-1正在进行读操作 Thread-0读操作完毕 Thread-1读操作完毕
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。
5.Lock和synchronized的选择
Lock与synchronized的区别:
1)Lock是一个接口,而synchronized是java中的关键字,synchronized是内置的语言实现的。
2)synchronized在发生异常时,会自动释放占有的锁,因此不会发生死锁现象,而Lock发生异常时,如果没有主动通过unLock去释放锁,则很有可能造成死锁现象,因此使用Lock时需要在fin'ally块中释放锁。
3)Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchrnoized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一致等待下去,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。
三、锁的相关概念
1.可重入锁
如果锁具备可重入性,则称为可重入锁。像synchronized和ReentranLock都是可重入锁,可重入锁表明了锁的分配机制:基于线程分配,而不是基于方法调用分配。
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。
2.可中断锁
可中断锁:就是可以相应中断的锁
Java中synchronized就是不可中断锁,而Lock时可中断锁。
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。
3.公平锁
公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同时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会获得该锁,这就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取顺序是否是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个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。
对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但可以设置为公平锁。
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。
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。
4.读写锁
读写锁将对一个资源的访问(比如文件)分成了2个锁,一个读锁,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,ReentrantLock实现了这个接口。
可以通过read'Lock获取读锁,writeLock获取写锁。
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();
}
}
}