Java多线程之Lock深入理解
1 Lock原理
Java
中已经有了synchronized
重量级锁,那么为什么还得有Lock
,之所以引入Lock
,得先了解synchronized原理,继而就会发现其缺陷
1.1 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?
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:
- 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;
- 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,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:
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;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。
1.2 Lock锁控制并发原理
在 Java
中,Lock
接口的实现类(如 ReentrantLock
)可以在多个线程之间共享。多个线程可以通过同一个 Lock
对象来获取锁并执行临界区代码。
当一个线程调用 Lock
对象的 lock()
方法时,如果锁是可用的,该线程将获取到锁并继续执行。如果锁已经被其他线程持有,那么该线程将被阻塞,直到锁被释放。
Lock
对象的锁是可重入的,也就是说同一个线程可以多次获取同一个锁,而不会产生死锁。当一个线程重复获取锁时,需要相应地释放相同次数的锁才能完全释放锁。
通过 Lock
对象,可以实现更灵活的锁定
和解锁
机制,可以使用 tryLock()
方法尝试获取锁,使用 lockInterruptibly()
方法可以响应中断请求,还可以使用 Condition
对象实现更细粒度的线程间通信。
需要注意的是,Lock
对象的锁不会自动释放,必须手动调用 unlock()
方法来释放锁,通常在 finally
块中进行释放操作,以确保锁的正确释放,避免死锁的发生。
1.3 AQS
Lock
之所以能实现线程安全的锁,主要的核心是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)
,AQS
提供了一个FIFO
队列,可以看做是一个用来实现锁以及其他需要同步功能的框架。AQS
的使用依靠继承来完成,子类通过继承自AQS
并实现所需的方法来管理同步状态。例如常见的ReentrantLock,CountDownLatch
等。
从使用上来说,AQS
的功能可以分为两种:独占
和共享
:
独占锁模式
下,每次只能有一个线程持有锁,ReentrantLock
就是以独占方式实现的互斥锁。共享锁模式
下,允许多个线程同时获取锁,并发访问共享资源,比如ReentrantReadWriteLock
独占
和共享
特点
- 相同点:
- 获取锁前都会判断是否有权限,只有满足条件才可能获取到锁
- 未获取到锁的线程会创建新节点放入队列尾部
- 不同点:
- 独占锁只会释放头部后节点的线程,而共享锁会依次释放所有线程
- 独占锁存在非公平锁的情况,新的线程可能抢占队列中线程的锁,共享锁则不存在这种情况
1.3.1 内部类Node
AQS
有两个内部类:Node
和 ConditionObject
,这里只介绍 Node
类
Node 类是等待队列中的节点类,是一个基于 FIFO 的双向队列
同步器依赖内部的同步队列(一个FIFO
双向队列)来完成同步状态的管理,当前线程获取同步状态失败时,同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点(Node
)并将其加入同步队列,同时会阻塞当前线程,当同步状态释放时,会把首节点中的线程唤醒,使其再次尝试获取同步状态。
Node的主要属性:
static final class Node {
//表示节点的状态,包含SIGNAL、CANCELLED、CONDITION、PROPAGATE、INITIAL
volatile int waitStatus;
//前继节点
volatile Node prev;
//后继节点
volatile Node next;
//入队节点的线程, 结束之后会被置空
volatile Thread thread;
//存储在 Condition 队列中的下一个等待节点
Node nextWaiter;
}
waitStatus
节点状态
waitStatus
节点的几种状态:
CANCELLED
,值为1
,由于在同步队列中等待的线程等待超时或者被中断,需要从同步队列中取消等待,节点进入该状态将不会变化。SIGNAL
,值为-1
,后继节点的线程处于等待状态,而当前节点的线程如果释放了同步状态或者被取消,将会通知后继节点,使后继节点得以运行。CONDITION
,值为-2
,节点在等待队列中,节点线程等待在Condition
上,当其他线程对Condition
调用了signal()
方法后,该节点将会从等待队列中转移到同步队列中,加入到对同步状态的获取中。PROPAGATE
,值为-3
,表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地被传播下去。INITAL
,值为0
,初始状态。
1.3.2 主要属性
AQS
主要属性说明如下
/**
* 等待队列的头节点, 赖加载
* 除了初始化之外, 只能通过 setHead 方法来改变其值
* 如果 head 不为 null, waitStatus 值就一定不会是 CANCELLED
*/
private transient volatile Node head;
/**
* 等待队列的尾结点, 懒加载
* 只能通过 enq 方法添加新节点时才会去改变尾结点
*/
private transient volatile Node tail;
/**
* 同步器的状态
* 以 ReentrantLock 为例, 0 表示可以获取到锁, 其他的正整数表示无法获取到锁
*/
private volatile int state;
- 设置尾节点
当一个线程成功地获取了同步状态(或者锁),其他线程将无法获取,转而被构造成为节点并加入同步队列,而这个过程必须保证线程安全,因此同步器提供了一个基于CAS
的设置尾节点的方法:compareAndSetTail(Node expect,Nodeupdate)
,它需要传递当前线程“认为”的尾节点和当前节点,只有设置成功后,当前节点才正式与之前的尾节点建立关联。 - 设置首节点
同步队列遵循FIFO
,首节点是获取同步状态成功的节点,首节点的线程在释放同步状态时,将会唤醒后继节点,而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点。
设置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成的,由于只有一个线程能够成功获取到同步状态,因此设置头节点的方法并不需要使用CAS
来保证,它只需要将首节点设置成为原首节点的后继节点并断开原首节点的next引用即可。 - state
AbstractQueuedSynchronizer
还有一个重要变量state
,用于记录是否有线程获取锁,可重入锁还记录了获取多少次锁, 没有锁住时,state
为0
,有线程获取锁时为1
,可重入锁,每重新获取一次锁,state
就加1
,释放一次就减1
。
1.3.3 方法
这里主要分析获取和释放锁相关的代码
1.3.3.1 获取锁
acquire
获取独占锁,方法的逻辑是先尝试获取锁,如果失败,就往队列末尾添加一个节点,再尝试从队列里获取锁tryAcquire
尝试获取独占锁,需要由子类自己实现,体现了Abstract
addWaiter
往尾部添加一个节点作为新的尾结点。如果尾结点未初始化,则通过 enq 完成初始化acquireQueued
不断尝试从队列中获取锁,当成功获取到锁或者线程被打断时会成功退出循环,竞争锁失败的线程会等待直到被唤醒,唤醒之后会再次进入循环尝试去获取锁,不断的重复整个过程
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
// 不断尝试去获取锁直到成功或线程被打断
for (;;) {
// 获取当前节点的前节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前节点是头部节点, 就尝试去获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
// 成功之后将节点设置为新的头部节点
// 可以理解为头部节点就是获取到锁的节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
// 获取锁失败后进到这里
// 先判断线程是否需要 park, 如果是就执行 park, 否则再进入循环
// 这里还判断了线程是否已经被打断了, 如果是, 就会执行 cancelAcquire
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
acquireShared
获取共享锁,方法逻辑是先尝试获取锁,如果失败,就不断尝试去获取锁tryAcquireShared
尝试获取共享锁,需要由子类自己实现doAcquireShared
不断尝试从队列中获取共享锁,当成功获取到锁或者线程被打断时会成功退出循环,竞争锁失败的线程会被park
直到被唤醒,唤醒之后会再次进入循环尝试去获取锁,不断的重复整个过程
1.3.3.2 释放锁
release
释放独占锁,方法逻辑是首先尝试释放锁,成功后,如果头节点不为空而且waitStatus
不为 0(即节点不是初始化的状态),就唤醒后节点的线程tryRelease
尝试释放独占锁,需要由子类实现releaseShared
是否共享锁,逻辑是先尝试释放锁,如果成功,再依次去释放节点上阻塞的线程tryReleaseShared
尝试释放共享锁,需要由子类实现doReleaseShared
释放共享锁
1.4 LockSupport
Lock
中核心加锁释放锁用的是LockSupport
LockSupport
是Java
并发编程中的一个工具类,它主要用于实现基于线程的阻塞和唤醒。这个类是JDK1.5以后引入的,主要用于实现Java的并发编程。
LockSupport
类提供了一种线程阻塞和唤醒的机制,它是通过控制线程的阻塞状态来实现线程的挂起和恢复的。LockSupport
中的park()
和unpark()
方法就是用来实现线程的阻塞和唤醒的。park()
方法可以阻塞当前线程,而unpark()
方法则可以唤醒一个指定的线程。这两个方法的使用比Object
类中的wait()
和notify()
方法更加灵活,因为它们不需要在同步代码块中使用。
以下是 LockSupport 类的一些核心方法:
void park()
:阻塞当前线程,直到许可可用。如果调用 park() 时线程已经拥有许可,则它会立即返回并消耗掉这个许可。void parkNanos(long nanos)
:阻塞当前线程,直至以下三种情况之一发生:许可可用、线程被中断,或者等待时间超出设定的纳秒数。void parkUntil(long deadline)
:阻塞当前线程直至以下三种情况之一发生:许可可用、线程被中断,或者直到指定的绝对时间(自纪元以来的毫秒数)。void unpark(Thread thread)
:为指定线程提供许可(如果它还没有),并且在有可能的情况下立即唤醒它。如果线程在调用时没有被阻塞,则下次它调用 park() 方法时会立即返回。
LockSupport 的优点包括:
- 它可以响应中断,但是不抛出
InterruptedException
异常。相比Object.wait() 和 Thread.join()
方法,在某些场景下更加灵活。 park() 和 unpark()
方法对于处理先发起唤醒信号,再实施阻塞
这种时序问题比 wait()/notify() 要简单。即使先调用了unpark()
,再调用park()
的线程依然能够正确的被唤醒,而不会产生死锁。
注意
:LockSupport
的park
方法不会释放锁,它只是让当前线程进入等待状态,也就是阻塞当前线程。
1.5 Lock和synchronized的选择
总结来说,Lock
和synchronized
有以下几点不同:
Lock
是一个接口,而synchronized
是Java中的关键字,synchronized
是内置的语言实现;synchronized
在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock
在发生异常时,如果没有主动通过unLock()
去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用Lock
时需要在finally
块中释放锁;Lock
可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized
却不行,使用synchronized
时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;- 通过
Lock
可以知道有没有成功获取锁,而synchronized
却无法办到。 Lock
可以提高多个线程进行读操作的效率。Lock
不像synchronized
那样是获取实例对象锁
或类锁
的,它获取的是Lock对象
的锁
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。
2 java.util.concurrent.locks包下常用的类
下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks
包中常用的类和接口。
2.1 Lock接口
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()
这个方法稍后讲解
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?
2.1.1 lock方法
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
}
2.1.2 tryLock方法
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时间
,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false
。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
}
2.1.3 lockInterruptibly方法
lockInterruptibly
为可中断锁
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。
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
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
2.1.4 newCondition方法
newCondition
这里的条件是没有实际含义的,仅仅是个标记而已,并且条件的含义往往通过代码来赋予其含义
条件变量都实现了java.util.concurrent.locks.Condition
接口,条件变量的实例化是通过一个Lock
对象上调用newCondition()
方法来获取的,这样,条件就和一个锁对象绑定起来了。因此,Java
中的条件变量只能和锁配合
使用,来控制并发程序访问竞争资源的安全
一个锁可以有多个条件,每个条件上可以有多个线程等待,通过调用await()
方法,可以让线程在该条件下等待。当调用signalAll()
方法,又可以唤醒该条件下的等待的线程,signal()
会唤醒其condition
中的一个等待线程
条件变量比较抽象,原因是他不是自然语言中的条件概念,而是程序控制的一种手段
看下Condition
接口中方法
public interface Condition {
//使当前线程加入 await() 等待队列中,并释放当锁,当其他线程调用signal()会重新请求锁。与Object.wait()类似。
void await() throws InterruptedException;
//调用该方法的前提是,当前线程已经成功获得与该条件对象绑定的重入锁,否则调用该方法时会抛出IllegalMonitorStateException。
//调用该方法后,结束等待的唯一方法是其它线程调用该条件对象的signal()或signalALL()方法。等待过程中如果当前线程被中断,该方法仍然会继续等待,同时保留该线程的中断状态。
void awaitUninterruptibly();
// 调用该方法的前提是,当前线程已经成功获得与该条件对象绑定的重入锁,否则调用该方法时会抛出IllegalMonitorStateException。
//nanosTimeout指定该方法等待信号的的最大时间(单位为纳秒)。若指定时间内收到signal()或signalALL()则返回nanosTimeout减去已经等待的时间;
//若指定时间内有其它线程中断该线程,则抛出InterruptedException并清除当前线程的打断状态;若指定时间内未收到通知,则返回0或负数。
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
//与await()基本一致,唯一不同点在于,指定时间之内没有收到signal()或signalALL()信号或者线程中断时该方法会返回false;其它情况返回true。
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//适用条件与行为与awaitNanos(long nanosTimeout)完全一样,唯一不同点在于它不是等待指定时间,而是等待由参数指定的某一时刻。
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
//唤醒一个在 await()等待队列中的线程。与Object.notify()相似
void signal();
//唤醒 await()等待队列中所有的线程。与object.notifyAll()相似
void signalAll();
}
2.2 ReentrantLock
ReentrantLock
意思是可重入锁
2.2.1 可重入锁概念
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,可重入性实际上表明了锁的分配机制:基于线程分配
,而不是基于方法调用的分配。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
。
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,那么此时线程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。
2.2.2 ReentrantLock使用
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
2.2.2.1 lock用法
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
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();
}
}
}
运行完后,也许有疑惑,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();
}
}
}
运行结果:
Thread-0得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1得到了锁
Thread-1释放了锁
这样就是正确地使用Lock的方法了
由上可知,Lock
不像synchronized
那样是获取实例对象锁或类锁的,它获取的是Lock对象
的锁,如果获取不到Lock
对象,就不存在竞争,否则就会有竞争情况
2.2.2.2 tryLock用法
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");
}
}
}
运行结果:
Thread-0得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1获取锁失败
2.2.2.3 lockInterruptibly用法
例子3,lockInterruptibly()
响应中断的使用方法:
public class Test {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
MyThread thread1 = new MyThread(test);
MyThread thread2 = new MyThread(test);
thread1.start();
thread2.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread2.interrupt();
}
public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
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
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
long startTime = System.currentTimeMillis();
for( ; ;) {
if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
break;
//插入数据
}
}
finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
lock.unlock();
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
}
}
}
class MyThread extends Thread {
private Test test = null;
public MyThread(Test test) {
this.test = test;
}
@Override
public void run() {
try {
test.insert(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
}
}
}
运行结果:
Thread-0得到了锁
Thread-1被中断
运行之后,发现thread-1能够被正确中断。
2.2.2.4 newCondition用法
ReentrantLock
中的newCondition
用法
public class NewConditionDemo {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) {
new Thread() {
@Override
public void run() {
lock.lock();//请求锁
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==》进入等待");
condition.await();//设置当前线程进入等待
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();//释放锁
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==》继续执行");
}
}.start();
new Thread() {
@Override
public void run() {
lock.lock();//请求锁
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=》进入");
Thread.sleep(2000);//休息2秒
condition.signal();//随机唤醒等待队列中的一个线程
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "休息结束");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();//释放锁
}
}
}.start();
}
}
2.3 ReadWriteLock
ReadWriteLock
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。
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。
2.4 ReentrantReadWriteLock
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。
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");
}
}
这段程序的输出结果会是,直到thread0执行完读操作之后,才会打印thread1执行读操作的信息。
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();
}
}
}
说明thread0和thread1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。
2.5 公平锁和非公平锁
2.5.1 公平锁和非公平锁定义及创建
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。
其中,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。
看一下这2个类的源代码就清楚了:
/**
* 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;
}
}
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
2.5.2 公平锁
使用公平锁时,加锁方法lock()
的方法调用轨迹如下:
- ReentrantLock : lock()
- FairSync : lock()
- AbstractQueuedSynchronizer : acquire(int arg)
- ReentrantLock : tryAcquire(int acquires)
在第4步真正开始加锁,下面是该方法的源代码:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); //获取锁的开始,首先读volatile变量state
if (c == 0) {
if (isFirst(current) &&
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;
}
从上面源代码中我们可以看出,加锁方法首先读volatile
变量state
。
在使用公平锁时,解锁方法unlock()
的方法调用轨迹如下:
- ReentrantLock : unlock()
- AbstractQueuedSynchronizer : release(int arg)
- Sync : tryRelease(int releases)
在第3步真正开始释放锁,下面是该方法的源代码:
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c); //释放锁的最后,写volatile变量state
return free;
}
从上面的源代码我们可以看出,在释放锁的最后写volatile
变量state
。
公平锁在释放锁的最后写volatile
变量state
;在获取锁时首先读这个volatile
变量。根据volatile
的happens-before
规则,释放锁的线程在写volatile
变量之前可见的共享变量,在获取锁的线程读取同一个volatile
变量后将立即变的对获取锁的线程可见
2.5.3 非公平锁
非公平锁的释放和公平锁完全一样,所以这里仅仅分析非公平锁的获取。
使用公平锁时,加锁方法lock()
的方法调用轨迹如下:
- ReentrantLock : lock()
- NonfairSync : lock()
- AbstractQueuedSynchronizer : compareAndSetState(int expect, int update)
在第3步真正开始加锁,下面是该方法的源代码:
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
该方法以原子操作的方式更新state
变量,把java
的compareAndSet()
方法调用简称为CAS
。JDK
文档对该方法的说明如下:如果当前状态值等于预期值,则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有 volatile
读和写的内存语义。
这里我们分别从编译器和处理器的角度来分析,CAS
如何同时具有volatile
读和volatile写
的内存语义。
编译器不会对volatile
读与volatile
读后面的任意内存操作重排序;编译器不会对volatile
写与volatile
写前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件,意味着为了同时实现volatile
读和volatile
写的内存语义,编译器不能对CAS
与CAS
前面和后面的任意内存操作重排序。
现在对公平锁
和非公平锁
的内存语义做个总结:
- 公平锁和非公平锁释放时,最后都要写一个
volatile
变量state
。 - 公平锁获取时,首先会去读这个
volatile
变量。 - 非公平锁获取时,首先会用
CAS
更新这个volatile
变量,这个操作同时具有volatile
读和volatile
写的内存语义。