Java并发编程系列：ReentrantLock

Z时代
2024-01-10
分类：综合

简介

ReentrantLock和synchronized都是提供了同步的功能，JDK1.6之后对synchronized性能进行了优化，所以两者的性能上几乎没什么区别，但是ReentrantLock提供了了一些高级功能。

等待可中断：在synchronized中，如果一个线程在等待锁，他只用两种结果，要么获得锁执行完，要么一直保持等待。可中断的等待是通知正在等待的线程，告诉他没必要再等待后。

实现公平锁：公平锁：会按照时间的先后顺序，保证先到先得。特点是它不会产生饥饿现象。而synchroized关键字进行所控制时，锁是非公平的。而重入锁可以设置为公平锁。 public ReetranLock(boolean fair) 当fair为true时，表示锁是公平的。实现公平锁必然要求系统维护一个有序队列，因此公平锁的成本比较高，性能也非常低向。默认情况下锁是非公平的。

绑定多个条件：类似于Object类的wait和notify方法，它是与ReentrantLock绑定的条件，可以绑定多个条件。

一个简单的例子

注意：退出临界区要释放锁，否则其他线程就没有机回访问临界区了。

public class TestReentrantLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock rlock = new ReentrantLock();
    public static int i=0;
    @Override
    public void run(){
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            rlock.lock();
            try{
                i++;
            }finally {
                rlock.unlock();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        TestReentrantLock tl = new TestReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(tl); 
        Thread t2 = new Thread(tl); 
        t1.start();
        t2.start();
        //表示当前线程等待t1执行完
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

注意：退出临界区要释放锁，否则其他线程就没有机回访问临界区了。

Lock接口

Lock接口是JDK1.5新加的同步工具接口，它的实现类有ReentrantLock、WriteLock等，接口中定义了通用的方法：

void lock();
void unlock();
// 可中断获取锁，与lock()不同之处在于可响应中断操作，即在获取锁的过程中可中断
// synchronized在获取锁时是不可中断的
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
//尝试非阻塞获取锁，调用该方法后立即返回结果，如果能够获取则返回true，否则返回false
boolean tryLock();
//根据传入的时间段获取锁，在指定时间内没有获取锁则返回false，如果在指定时间内当前线程未被中并断获取到锁则返回true
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//获取等待通知组件，该组件与当前锁绑定，当前线程只有获得了锁
//才能调用该组件的wait()方法，而调用后，当前线程将释放锁。
Condition newCondition();

其中lock和unlock方法提供了synchronized的功能，其他方法使得同步过程更加的灵活。

什么叫重入锁

一个线程可以多次进入，当然必须多次释放锁。

rlock.lock();
rlock.lock();
try{
    i++;
}finally {
    rlock.unlock();
    rlock.unlock();
    //如果释放次数多，则回抛出java.lang.IllegalMonitorStateException异常
    //rlock.unlock();
}

下面根据案例主要介绍ReentrantLock的用法，在后面的文章中介绍它的实现原理。

中断响应

如果一个线程正在等待锁，那么它可以收到一个通知，被告知无序再等待，可以停止工作了。在synchronized中，

如果一个线程在等待锁，他只用两种结果，要么获得锁执行完，要么一直保持等待。

下面通过一个死锁的例子，介绍中断响应的过程。

public class DeathLock implements Runnable{
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;
    public DeathLock(int lock){
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        try{
            if(lock==1){
                lock1.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get lock1");
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(Exception e){}
                lock2.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get lock2");
            }else{
                lock2.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get lock2");
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e){}
                lock1.lockInterruptibly();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get lock1");
            }
        }catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            //判断当前线程是否拥有该锁
            if(lock1.isHeldByCurrentThread())
                lock1.unlock();
            if(lock2.isHeldByCurrentThread())
                lock2.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 退出！");
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException{
        //这里new出两个实现Runnable的对象是因为为了传进去不同的lock值
        Thread thread1 = new Thread(new DeathLock(1),"thread1");
        Thread thread2 = new Thread(new DeathLock(1),"thread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread2.interrupt();
    }
}

执行过程是thread1占用lock1，休眠500毫秒，然后想占用lock2，与此同时，thread2占用lock2，休眠1000毫秒后在请求lock1。可是当thread1，想请求lock2时，已经被thread2占用，因此只能进入阻塞状态，thread2也同理进入阻塞状态。因此进入死锁。但是这里使用了lockInterruptibly()方法。这是一个可以对中断进行响应的锁申请动作，即在等待锁的过程中可以响应中断。在thred2调用interrupt()方法，thread2线程被中断，thread2放弃对lock的申请，同时释放已获得的lock2，所以thread1可以得到lock2继续执行下去。

结果为：

thread2先中断，抛出异常，跳入finally块，释放资源，最终退出。

锁申请等待限时

如果给定一个等待时间，超过时间，让线程自动放弃。

public class TimeLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        try {
            if(lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)){
                Thread.sleep(5000);
            }else{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get　lock failed");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            if(lock.isHeldByCurrentThread())
                lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String args[]) {
        TimeLock t = new TimeLock();
        Thread thread1 = new Thread(t,"thread1");
        Thread thread2 = new Thread(t,"thread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

tryLock()两个参数分别表示等待时长和计时单位，表示线程在请求锁的过程中，最多等待5秒，如果超过改时间则返回false，如果成果获得锁，则返回true。

该程序中首先任意一个线程先获得锁，然后休眠5秒，然而它一直占有锁，因此另一个线程无法再2秒内获得锁，因此失败。

tryLock()方法也可以不带参数，这种情况下，当前线程会尝试获得锁，如果锁未被其他线程占用，则申请锁会成功，把那个返回true，如果锁被其他线程占用，则当前线程不会等待，而是立即返回false。这种模式下不会引起线程等待，因此也不会产生死锁。

公平锁

大多数情况下，锁的申请都是非公平的，也就是说，线程1首先申请锁A，接着线程2也请求了锁A，当锁A可用时，线程1,2都有可能获得锁，系统只是在等待队列中随机挑选一个，因此不能保证公平性。

所以有了公平锁，公平锁：会按照时间的先后顺序，保证先到先得。特点是它不会产生饥饿现象。而synchroized关键字进行所控制时，锁是非公平的。而重入锁可以设置为公平锁。

public ReetranLock(boolean fair)

当fair为true时，表示锁是公平的。实现公平锁必然要求系统维护一个有序队列，因此公平锁的成本比较高，性能也非常低向。默认情况下锁是非公平的。

public class FairLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    @Override
    public void run() {
        while(true)
            try {
                lock.lock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get　lock !");
            }finally{
                    lock.unlock();
            }
    }
    public static void main(String args[]) {
        FairLock f = new FairLock();
        Thread thread1 = new Thread(f,"thread1");
        Thread thread2 = new Thread(f,"thread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

部分结果为：

可以看出两个线程基本上是交替获得锁。

Condition条件（搭配重入锁使用）

Condition类似于wait()和notify()的功能，它是与重入锁关联使用的。Lock接口中提供了newCondition()方法，该方法可以返回绑定到此Lock的Condition实例。

方法解释：

await方法会使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用signal()或signalAll()方法时，线程会重新获得锁并继续执行，当线程被中断时，也能跳出等待。与Object的wait()方法相似。

singal()方法用于唤醒一个在等待中的线程。

注意：以上连个方法调用之前必须当前线程拥有锁。否则抛出IllegalMonitorStateException异常

public class ConditionDemo implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    public static Condition condition = lock.newCondition();
    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            //当前线程释放锁，进入等待状态
            condition.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get　lock !");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        ConditionDemo t = new ConditionDemo();
        Thread thread1 = new Thread(t,"thread1");
        thread1.start();
        Thread.sleep(2000);
        //当thread1进入处于等待状态，main线程获得锁
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock !");
        condition.signal();
        lock.unlock();
    }
}
/* 结果：
main get lock !
thread1 get　lock !
 */

thread1线程调用await时，要求线程持有相关的重入锁，调用后，线程释放这把锁，同理signal方法调用时，也要求线程先获得相关的锁，在signal方法调用后，系统会从当前的Condition对象的等待队列中唤醒一个线程，一旦线程唤醒，它会重新尝试获得之前绑定的锁，一旦成功获取await方法返回，继续执行。在调用signal后先睡眠2秒，并且保持了锁，释放了锁之后，await方法获取锁后才得以返回继续执行。因此打印出来的时间差为2000毫秒。

最后

上面结合例子介绍了ReentrantLock主要的用法，还有一些很有意思的用法，比如正在等待锁的线程，当前线程是否拥有锁等等。

//查询当前线程保持此锁的次数。
int getHoldCount() 
//返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回 null。      
protected  Thread   getOwner(); 
//返回一个 collection，它包含可能正等待获取此锁的线程，其内部维持一个队列，这点稍后会分析。      
protected  Collection<Thread>   getQueuedThreads(); 
//返回正等待获取此锁的线程估计数。   
int getQueueLength();
// 返回一个 collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。
protected  Collection<Thread>   getWaitingThreads(Condition condition); 
//返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。       
int getWaitQueueLength(Condition condition);
// 查询给定线程是否正在等待获取此锁。     
boolean hasQueuedThread(Thread thread); 
//查询是否有些线程正在等待获取此锁。     
boolean hasQueuedThreads();
//查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。     
boolean hasWaiters(Condition condition); 
//如果此锁的公平设置为 true，则返回 true。     
boolean isFair() 
//查询当前线程是否保持此锁。      
boolean isHeldByCurrentThread() 
//查询此锁是否由任意线程保持。        
boolean isLocked()

进入ReentrantLock的源码发现，ReentrantLock类的绝大部分功能是通过它的内部类Sync来实现的，而Sync又继承了AbstractQueuedSynchronizer类。这就是大名鼎鼎的AQS，Doug Lea最著名的作品，后面的文章分析它的精华所在。