JAVA多线程学习十一-线程锁技术
前面我们讲到了synchronized；那么这节就来将lock的功效。
一、locks相关类
锁相关的类都在包java.util.concurrent.locks下，有以下类和接口：
|---AbstractOwnableSynchronizer
|---AbstractQueuedLongSynchronizer
|---AbstractQueuedSynchronizer
|---Condition
|---Lock
|---LockSupport
|---ReadWriteLock
|---ReentrantLock
|---ReentrantReadWriteLock
接口摘要:
| 接口 | 摘要 |
|---|---|
| Condition | Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。 |
| Lock | Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。 |
| ReadWriteLock | ReadWriteLock 维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。 |
类摘要:
| 类 | 摘要 |
|---|---|
| AbstractOwnableSynchronizer | 可以由线程以独占方式拥有的同步器。 |
| AbstractQueuedLongSynchronizer | 以 long 形式维护同步状态的一个 AbstractQueuedSynchronizer 版本。 |
| AbstractQueuedSynchronizer | 为实现依赖于先进先出 (FIFO) 等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量、事件，等等）提供一个框架。 |
| LockSupport | 用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。 |
| ReentrantLock | 一个可重入的互斥锁 Lock，它具有与使用 synchronized 方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。 |
| ReentrantReadWriteLock | 支持与 ReentrantLock 类似语义的 ReadWriteLock 实现。 |
| ReentrantReadWriteLock.ReadLock | ReentrantReadWriteLock.readLock() 方法返回的锁。 |
| ReentrantReadWriteLock.WriteLock | ReentrantReadWriteLock.writeLock() 方法返回的锁。 |
二、synchronized与lock
synchronized对比lock：
1、synchronized是Java语言的关键字属于内置特性，Lock是一个类
2、使用synchronized不需要用户去手动释放锁，使用Lock需要在finally手动释放锁，不然容易造成线程死锁
详细对比见下面的表格：
| 类别 | synchronized | Lock |
|---|---|---|
| 存在层次 | Java的关键字，在jvm层面上 | 是一个类 |
| 锁的释放 | 1、以获取锁的线程执行完同步代码，释放锁 2、线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁 | 在finally中必须释放锁，不然容易造成线程死锁 |
| 锁的获取 | 假设A线程获得锁，B线程等待。如果A线程阻塞，B线程会一直等待 | 分情况而定，Lock有多个锁获取的方式，具体下面会说道，大致就是可以尝试获得锁，线程可以不用一直等待 |
| 锁状态 | 无法判断 | 可以判断 |
| 锁类型 | 可重入 不可中断 非公平 | 可重入 可判断 可公平（两者皆可） |
| 性能 | 少量同步 | 大量同步 |
三、常用类
1.Lock
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。
lock()
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()、tryLock(long time, TimeUnit unit)
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()
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.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。
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.锁类型
Java中存在以下几种锁：
-
可重入锁：在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁(可看一个使用示例)
-
可中断锁：在等待获取锁过程中可中断
-
公平锁： 按等待获取锁的线程的等待时间进行获取，等待时间长的具有优先获取锁权利
-
读写锁：对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理，读的时候可以多线程一起读，写的时候必须同步地写
可重入锁ReentrantLock
ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。
例子1:lock()的使用
可以类似于Synchronized的用法，定义一个类，新建一个该类的对象用于线程间同步，在类里面定义锁的对象。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
new LockTest().init();
}
private void init(){
final Outputer outputer = new Outputer();
new Thread(new Runnable(){
public void run() {
while(true){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
outputer.output("zhangxiaoxiang");
}
}
}).start();
new Thread(new Runnable(){
public void run() {
while(true){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
outputer.output("lihuoming");
}
}
}).start();
}
static class Outputer{
Lock lock = new ReentrantLock();
public void output(String name){
lock.lock();
try{
System.out.println(name);
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
输出：
zhangxiaoxiang lihuoming lihuoming zhangxiaoxiang zhangxiaoxiang lihuoming ...
注意：输出的字符串顺序不定，个数也不定。
例子2:tryLock()的使用
这里相比例子1只修改了Outputer类，main方法一样。
static class Outputer{
Lock lock = new ReentrantLock();
public void output(String name){
if (lock.tryLock()) {
try{
System.out.println(name + "得到锁");
}finally{
lock.unlock();
System.out.println(name + "释放锁");
}
} else {
System.out.println(name + "获取锁失败");
}
}
}
输出：
lihuoming得到锁 zhangxiaoxiang获取锁失败 lihuoming释放锁 zhangxiaoxiang得到锁 zhangxiaoxiang释放锁 lihuoming得到锁 lihuoming释放锁 ...
注意：输出的字符串顺序不定，个数也不定。
例子3:lockInterruptibly()的使用
执行lockInterruptibly()方法的方法中，需要将异常InterruptedException抛出，在等待锁的线程可调用interrupt()方法中断，即可触发异常InterruptedException，然后可以在catch中执行相应的操作。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockTest {
public static void main(String[] args) {
new LockTest().init();
}
private void init(){
final Outputer outputer = new Outputer();
Thread thread1 = new Thread(new Runnable(){
public void run() {
String name = "zhangxiaoxiang";
try {
Thread.sleep(10);
outputer.output(name);
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(name + "被中断");
}
}
});
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(new Runnable(){
public void run() {
String name = "lihuoming";
try {
Thread.sleep(10);
outputer.output(name);
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(name + "被中断");
}
}
});
thread2.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread2.interrupt();
}
static class Outputer{
Lock lock = new ReentrantLock();
//将InterruptedException抛出
public void output(String name) throws InterruptedException {
System.out.println(name + "试图执行output方法");
lock.lockInterruptibly();
try{
System.out.println(name + "得到锁");
long startTime = System.currentTimeMillis();
for( ; ;) {
if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
break;
}
}finally{
System.out.println(name + "执行了finally");
lock.unlock();
System.out.println(name + "释放锁");
}
}
}
}
输出：
zhangxiaoxiang试图执行output方法 zhangxiaoxiang得到锁 lihuoming试图执行output方法 lihuoming被中断
运行之后，发现thread2能够被正确中断
在jdk源码中的一个运用就是类ArrayBlockingQueue的方法。该方法中有以下几点注意：
1、使用lock.lockInterruptibly()需抛出异常InterruptedException
2、使用了Condition
3、在finally中关闭锁
/**
* Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
* up to the specified wait time for space to become available if
* the queue is full.
*
* @throws InterruptedException {@inheritDoc}
* @throws NullPointerException {@inheritDoc}
*/
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length) {
if (nanos <= 0)
return false;
/** notFull是一个Condition对象，
** Condition for waiting puts
** private final Condition notFull;
*/
nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
}
insert(e);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
3.读写锁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。ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
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。
读写锁，分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，由JVM控制。
注意：此锁最多支持 65535 个递归写入锁和 65535 个读取锁。试图超出这些限制将导致锁方法抛出 Error。
下面给出构造函数和常用方法的简要说明：
类ReentrantReadWriteLock
- ReentrantReadWriteLock(boolean fair)： 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock。
- ReentrantReadWriteLock()：使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock
类ReentrantReadWriteLock的方法
| 返回类型 | 方法 |
|---|---|
| ReentrantReadWriteLock.ReadLock | readLock() 返回用于读取操作的锁 |
| ReentrantReadWriteLock.WriteLock | writeLock() 返回用于写入操作的锁 |
下面给出示例代码：
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteLockTest {
public static void main(String[] args) {
final Queue3 q3 = new Queue3();
for(int i=0;i<3;i++)
{
final Thread readThread = new Thread() {
public void run() {
while (true) {
q3.get();
}
}
};
readThread.setName("read-"+i);
readThread.start();
final Thread writeThread = new Thread(){
public void run(){
while(true){
q3.put(new Random().nextInt(10000));
}
}
};
writeThread.setName("write-"+i);
writeThread.start();
}
}
}
class Queue3{
private Object data = null;
ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public void get(){
rwl.readLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to read data!");
Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have read data :" + data);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
rwl.readLock().unlock();
}
}
public void put(Object data){
rwl.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to write data!");
Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
this.data = data;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have write data: " + data);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
rwl.writeLock().unlock();
}
}
}
输出：
read-0 be ready to read data! read-1 be ready to read data! read-0 have read data :null read-1 have read data :null write-1 be ready to write data! write-1 have write data: 3713 write-1 be ready to write data! write-1 have write data: 3420
对输出结果进行分析：be ready to read data！和have read data并不是先后出现的，中间可以夹着be ready to read data！说明读锁之间不互斥。
面试题：
缓存系统：取数据，需调用public Object getData(String key)方法，先检查缓存有没有这个数据，如果有就直接返回，如果没有，就从数据库中查找这个数，然后写入缓存。
如果使用synchronized对getData加锁，那么getData方法只能被一个读线程执行，其他读操作就得等待，这里可以使用一个读写锁，只有在写的时候才需要互斥
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class CacheDemo {
private Map<String, Object> cache = new HashMap<String, Object>();
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
}
private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public Object getData(String key){
rwl.readLock().lock();
Object value = null;
try{
value = cache.get(key);
if(value == null){
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try{
//再次进行判断，防止多个写线程堵在这个地方重复写
if(value==null){
value = "aaaa"; //设置新值
}
}finally{
rwl.writeLock().unlock();
}
//设置完成 释放写锁，恢复读写状态
rwl.readLock().lock();
}
}finally{
rwl.readLock().unlock();
}
return value;
}
}
其他更多有关ReentrantReadWriteLock后面补充。
4.Condition
Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。
synchronized常与wait、notify等方法使用，Condition常与await、signal等方法使用。
- Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
- Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
- 调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
Conditon中的await()对应Object的wait()；
Condition中的signal()对应Object的notify()；
Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
Condition中的long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException方法传入一个等待的微秒时间，该方法返回了所剩毫微秒数的一个估计值，以等待所提供的 nanosTimeout 值的时间，如果超时，则返回一个小于等于 0 的值。可以用此值来确定在等待返回但某一等待条件仍不具备的情况下，是否要再次等待，以及再次等待的时间。此方法的典型用法采用以下形式(上面讲ArrayBlockingQueue的public E poll(long timeout, TimeUnit unit)方法中就用到这个方法)：
synchronized boolean aMethod(long timeout, TimeUnit unit) {
long nanosTimeout = unit.toNanos(timeout);
while (!conditionBeingWaitedFor) {
if (nanosTimeout > 0)
nanosTimeout = theCondition.awaitNanos(nanosTimeout);
else
return false;
}
// ...
}
代码示例：
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ConditionCommunication {
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();
new Thread(
new Runnable() {
public void run() {
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
business.sub(i);
}
}
}
).start();
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
business.main(i);
}
}
static class Business {
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
private boolean bShouldSub = true;
public void sub(int i) {
lock.lock();
try {
while (!bShouldSub) {
try {
condition.await();
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 10; j++) {
System.out.println("sub thread sequence of " + j + ",loop of " + i);
}
bShouldSub = false;
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void main(int i) {
lock.lock();
try {
while (bShouldSub) {
try {
condition.await();
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 100; j++) {
System.out.println("main thread sequence of " + j + ",loop of " + i);
}
bShouldSub = true;
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
同样：await()方法需要放在while循环中。
更多参考：
与传统的同步对比可参考：线程间协作的两种方式：wait、notify、notifyAll和Condition
参考
作者：guanbin —— 纵码万里千山
出处：https://www.cnblogs.com/guanbin-529/
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