JAVA多线程提高八: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

详解synchronized与Lock的区别与使用 

Java并发编程：Lock