Java并发编程中的Lock

Published: 05 Jan 2019 Category: java

一、synchronized的缺陷

既然都可以通过synchronized来实现同步访问了,那么为什么还需要提供Lock?因为它有缺陷。

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。

一个锁内部可以有多个Condition实例,即有多路条件队列,而synchronize只有一路条件队列;同样Condition也提供灵活的阻塞方式,在未获得通知之前可以通过中断线程以 及设置等待时限等方式退出条件队列。

要注意:

  • 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。

二.java.util.concurrent.locks包下常用的类

2.1 Lock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();
}

lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。

  • 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。
  • 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。
  • 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。 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。 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。

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
}

unLock()方法是用来释放锁的。

newCondition()能为多个线程提供不同的condition: Where a Lock replaces the use of synchronized methods and statements, a Condition replaces the use of the Object monitor methods.

特定的condition能唤醒特定的线程。相比synchronized同步方法的notifyAll,多了多个等待队列,notifyAll所有的线程都会唤醒,notify只能唤醒一个线程,有可能生产者线程唤醒的是生产者线程。对于condition来说,我们将其分成生产者线程和消费者线程,在生产者线程中唤醒消费者线程。

condition.signal() 相当于notify(); signalAll()相当于notifyAll();c ondition.await()相当于wait()

2.2 ReentrantLock

ReentrantLock,意思是“可重入锁”。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。

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();
        }
    }
}

输出:

Thread-0得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1得到了锁
Thread-1释放了锁

2.3 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.
     */
    Lock readLock();
 
    /**
     * Returns 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。

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();
        }
    }
}

输出:

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-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。

三.锁的相关概念介绍

3.1 可重入锁

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(即已经获得锁的线程可以多次锁住/解锁监视对象),可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,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。

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。

3.2 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。

3.3 公平锁

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。

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。

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。

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。

3.4 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。

四. 实现Lock接口

需要实现锁的功能,两个必备元素:

  • 一个是表示(锁)状态的变量(我们假设0表示没有线程获取锁,1表示已有线程占有锁),该变量必须声明为voaltile类型;
  • 另一个是队列,队列中的节点表示因未能获取锁而阻塞的线程。

为了解决多核处理器下多线程缓存不一致的问题,表示状态的变量必须声明为voaltile类型,并且对表示状态的变量和队列的某些操作要保证原子性和可见性。原子性和可见性的操作主要通过Atomic包中的方法实现。

线程释放锁的大致过程:

  • 1.释放锁的线程将状态变量的值从1设置为0,并唤醒等待(锁)队列中的队首节点,释放锁的线程从就从unlock方法中返回,继续执行线程后面的代码
  • 2.被唤醒的线程(队列中的队首节点)和可能和未进入队列并且准备获取的线程竞争获取锁,重复获取锁的过程

注意:可能有多个线程同时竞争去获取锁,但是一次只能有一个线程去释放锁,队列中的节点都需要它的前一个节点将其唤醒,例如有队列A<-B-<C ,即由A释放锁时唤醒B,B释放锁时唤醒C

REF

Java并发编程:Lock