Java多线程并发07——锁在Java中的实现
上一篇文章中，我们已经介绍过了各种锁，让各位对锁有了一定的了解。接下来将为各位介绍锁在Java中的实现。关注我的公众号「Java面典」了解更多 Java 相关知识点。
在 Java 中主要通过使用synchronized 、 volatile关键字，及 Lock 接口的子类 ReentrantLock 和 ReadWriteLock 等来实现加锁。
synchronized
属性
synchronized 属于独占式的悲观锁，同时属于可重入锁。
作用
synchronized 可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。其在不同场景下的作用范围如下：
- 作用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；
- 作用于静态方法时，锁住的是Class实例，会锁住所有调用该方法的线程。（又因为Class的相关数据存储在永久代 PermGen【Jdk1.8 则是 metaspace】，永久代是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁）；
- 作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。
实现
它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。
- Wait Set：存储调用 wait 方法被阻塞的线程；
- Contention List（竞争队列）：所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
- Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中；
- OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程成为 OnDeck；
- Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner；
- !Owner：当前释放锁的线程。
volatile
属性
比 sychronized 更轻量级的同步锁
适用场景
使用 volatile 必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：
- 对变量的写操作不依赖于当前值（比如 i++），或者说是单纯的变量赋值（boolean flag = true）；
- 不同的 volatile 变量之间，不能互相依赖，只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。
对 volatile 变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如 long 和 double 类型变量，但是并不能保证 i++ 这种操作的原子性，因为本质上 i++ 是读、写两次操作。
Lock
Java 中的锁都实现于 Lock 接口，主要方法有：
- void lock()： 用于获取锁。如果锁可用，则获取锁。 若锁不可用， 将禁用当前线程，直到取到锁；
- boolean tryLock()：尝试获取锁。如果锁可用，则获取锁，并返回 true， 否则返回 false；
该方法和lock()的区别在于，如果锁不可用，tryLock()不会导致当前线程被禁用。 - tryLock(long timeout TimeUnit unit)：如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，则获取该锁。
- void unlock()：释放锁。锁只能由持有者释放，如果线程并不持有锁，却执行该方法。可能导致异常的发生；
- Condition newCondition()：条件对象，获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的 await()方法，而调用后，当前线程将缩放锁；
- getHoldCount() ：查询当前线程保持此锁的次数。
- getQueueLength（）：返回正等待获取此锁的线程估计数。比如启动 10 个线程，1 个线程获得锁，此时返回的是 9；
- getWaitQueueLength：（Condition condition）返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程，用同一个 condition 对象，并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法，那么此时执行此方法返回 10；
- hasWaiters(Condition condition)：查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition)。对于指定 contidion 对象，有多少线程执行了 condition.await 方法；
- hasQueuedThread(Thread thread)：查询给定线程是否等待获取此锁；
- hasQueuedThreads()：是否有线程等待此锁；
- isFair()：该锁是否公平锁；
- isHeldByCurrentThread()： 当前线程是否保持锁锁定，线程的执行 lock 方法的前后分别是 false 和 true；
- isLock()：此锁是否有任意线程占用；
- lockInterruptibly（）：如果当前线程未被中断，获取锁。
tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别
- tryLock 能获得锁就返回 true，不能就立即返回 false，tryLock(long timeout,TimeUnit unit)，可以增加时间限制，如果超过该时间段还没获得锁，返回 false；
- lock 能获得锁就返回 true，不能的话一直等待获得锁；
- lock 和 lockInterruptibly，如果两个线程分别执行这两个方法，但此时中断这两个线程，lock 不会抛出异常，而 lockInterruptibly 会抛出异常。
Condition
作用
Condition 的作用是对锁进行更精确的控制。对于同一个锁，我们可以创建多个 Condition，在不同的情况下使用不同的 Condition。
Condition 和 Object
- 相似之处：
- Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效；
- Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效；
- Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效。
- 不同处：
- ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程，而 object 的唤醒是随机的；
- Object中的 wait()、notify()、notifyAll() 方法是和 "同步锁"(synchronized关键字) 捆绑使用的；而Condition是需要与 "互斥锁"/"共享锁" 捆绑使用的。
ReentrantLock
属性
可重入锁。
特点
除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。
与 synchronized 的区别
- ReentrantLock 需要通过方法 lock() 与 unlock() 手动进行加锁与解锁操作，而 synchronized 会 被 JVM 自动加锁、解锁；
- ReentrantLock 相比 synchronized 的优势是可中断、公平锁、多个锁。
public class MyLock {
private Lock lock = new ReentrantLock();
// Lock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁
// Lock lock = new ReentrantLock(false); //非公平锁
private Condition condition = lock.newCondition(); //创建 Condition
public void testMethod() {
try {
lock.lock(); //lock 加锁
// 1：wait 方法等待：
//System.out.println("开始 wait");
condition.await();
// 通过创建 Condition 对象来使线程 wait，必须先执行 lock.lock 方法获得锁
// 2：signal 方法唤醒
condition.signal(); //condition 对象的 signal 方法可以唤醒 wait 线程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName() + (" " + (i + 1)));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
ReadWriteLock
属性
共享锁（读-写锁）
特点
- 如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的，在一定程度上提高了程序的执行效率；
- 读写锁分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥（这是由 JVM 自己控制的，代码只要上好相应的锁即可）。
使用原则
- 如果你的代码只读数据，可以很多人同时读，但不能同时写，那就上读锁；
- 如果你的代码修改数据，只能有一个人在写，且不能同时读取，那就上写锁。
CountDownLatch（线程计数器 ）
作用
CountDownLatch 是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
new Thread() {
public void run() {
System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
latch.countDown();
}
;
}.start();
new Thread() {
public void run() {
System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");
Thread.sleep(3000);
System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
latch.countDown();
}
;
}.start();
System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");
latch.await();
System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");
System.out.println("继续执行主线程");
CyclicBarrierr（回环栅栏-等待至 barrier 状态再全部同时执行）
作用
CyclicBarrier 是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。
主要方法
CyclicBarrier 中最重要的方法就是 await 方法，它有 2 个重载版本：
- public int await()：用来挂起当前线程，直至所有线程都到达 barrier 状态再同时执行后续任务；
- public int await(long timeout, TimeUnit unit)：让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达 barrier 状态就直接让到达 barrier 的线程执行后续任务。
public static void main(String[] args) {
int N = 4;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);
for (int i = 0; i < N; i++)
new Writer(barrier).start();
}
static class Writer extends Thread {
private CyclicBarrier cyclicBarrier;
public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {
this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
}
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作
System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完 毕，等待其他线程写入完毕");
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务，比如数据操作");
}
}
CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别
- CountDownLatch 的作用是允许 1 或 N 个线程等待其他线程完成执行；而 CyclicBarrier 则是允许 N 个线程相互等待；
- CountDownLatch 的计数器无法被重置；CyclicBarrier 的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的 barrier。
Semaphore
Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做完自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池。
实现互斥锁（计数器为 1）
我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。
代码实现
它的用法如下：
// 创建一个计数阈值为 5 的信号量对象
// 只能 5 个线程同时访问
Semaphore semp = new Semaphore(5);
try { // 申请许可
semp.acquire();
try {
// 业务逻辑
} catch (Exception e) {
} finally {
// 释放许可
semp.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
}
Semaphore 与 ReentrantLock 相似处
Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作，使用方法也有许多类似之处：
- 都需要手动加锁。通过 acquire() 与 release() 方法来获得和释放资源；
- Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁，与 ReentrantLock.lockInterruptibly() 作用效果一致，也就是说在等待临界资源的过程中可以被 Thread.interrupt() 方法中断；
- Semaphore 也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能，除了方法名 tryAcquire 与 tryLock不同，其使用方法与 ReentrantLock 几乎一致；
- Semaphore 也提供了公平与非公平锁的机制，也可在构造函数中进行设定；
- 锁释放方式相同。与 ReentrantLock 一样 Semaphore 的锁释放操作也由手动进行。同时，为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生，释放锁的操作也必须在 finally 代码块中完成。
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