【轉】Java併發編程:Lock

來自: http://www.importnew.com/18320.htmljava

在上一篇文章中咱們講到了如何使用關鍵字synchronized來實現同步訪問。本文咱們繼續來探討這個問題,從Java 5以後,在java.util.concurrent.locks包下提供了另一種方式來實現同步訪問,那就是Lock。ide

也許有朋友會問,既然均可以經過synchronized來實現同步訪問了,那麼爲何還須要提供Lock?這個問題將在下面進行闡述。本文先從 synchronized的缺陷講起,而後再講述java.util.concurrent.locks包下經常使用的有哪些類和接口,最後討論如下一些關於 鎖的概念方面的東西。性能

如下是本文目錄大綱:this

一.synchronized的缺陷spa

二.java.util.concurrent.locks包下經常使用的類.net

三.鎖的相關概念介紹線程

如有不正之處請多多諒解,並歡迎批評指正。code

一.synchronized的缺陷

synchronized是java中的一個關鍵字,也就是說是Java語言內置的特性。那麼爲何會出現Lock呢?htm

在上面一篇文章中,咱們瞭解到若是一個代碼塊被synchronized修飾了,當一個線程獲取了對應的鎖,並執行該代碼塊時,其餘線程便只能一直等待,等待獲取鎖的線程釋放鎖,而這裏獲取鎖的線程釋放鎖只會有兩種狀況:

1)獲取鎖的線程執行完了該代碼塊,而後線程釋放對鎖的佔有;

2)線程執行發生異常,此時JVM會讓線程自動釋放鎖。

那麼若是這個獲取鎖的線程因爲要等待IO或者其餘緣由(好比調用sleep方法)被阻塞了,可是又沒有釋放鎖,其餘線程便只能乾巴巴地等待,試想一下,這多麼影響程序執行效率。

所以就須要有一種機制能夠不讓等待的線程一直無期限地等待下去(好比只等待必定的時間或者可以響應中斷),經過Lock就能夠辦到。

再舉個例子:當有多個線程讀寫文件時,讀操做和寫操做會發生衝突現象,寫操做和寫操做會發生衝突現象,可是讀操做和讀操做不會發生衝突現象。

可是採用synchronized關鍵字來實現同步的話,就會致使一個問題:

若是多個線程都只是進行讀操做,因此當一個線程在進行讀操做時,其餘線程只能等待沒法進行讀操做。

所以就須要一種機制來使得多個線程都只是進行讀操做時,線程之間不會發生衝突,經過Lock就能夠辦到。

另外,經過Lock能夠知道線程有沒有成功獲取到鎖。這個是synchronized沒法辦到的。

總結一下,也就是說Lock提供了比synchronized更多的功能。可是要注意如下幾點:

1)Lock不是Java語言內置的,synchronized是Java語言的關鍵字,所以是內置特性。Lock是一個類,經過這個類能夠實現同步訪問;

2)Lock和synchronized有一點很是大的不一樣,採用synchronized不須要用戶去手動釋放鎖,當synchronized 方法或者synchronized代碼塊執行完以後,系統會自動讓線程釋放對鎖的佔用;而Lock則必需要用戶去手動釋放鎖,若是沒有主動釋放鎖,就有可 能致使出現死鎖現象。

二.java.util.concurrent.locks包下經常使用的類

下面咱們就來探討一下java.util.concurrent.locks包中經常使用的類和接口。

1.Lock

首先要說明的就是Lock,經過查看Lock的源碼可知,Lock是一個接口:

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public interface Lock {
     void lock();
     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
     boolean tryLock();
     boolean tryLock( long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
     void unlock();
     Condition newCondition();
}

下面來逐個講述Lock接口中每一個方法的使用,lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用來獲取鎖的。unLock()方法是用來釋放鎖的。newCondition()這個方法暫且不 在此講述,會在後面的線程協做一文中講述。

在Lock中聲明瞭四個方法來獲取鎖,那麼這四個方法有何區別呢?

首先lock()方法是日常使用得最多的一個方法,就是用來獲取鎖。若是鎖已被其餘線程獲取,則進行等待。

因爲在前面講到若是採用Lock,必須主動去釋放鎖,而且在發生異常時,不會自動釋放鎖。所以通常來講,使用Lock必須在 try{}catch{}塊中進行,而且將釋放鎖的操做放在finally塊中進行,以保證鎖必定被被釋放,防止死鎖的發生。一般使用Lock來進行同步 的話,是如下面這種形式去使用的:

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Lock lock = ...;
lock.lock();
try {
     //處理任務
} catch (Exception ex){
 
} finally {
     lock.unlock();   //釋放鎖
}
 

tryLock()方法是有返回值的,它表示用來嘗試獲取鎖,若是獲取成功,則返回true,若是獲取失敗(即鎖已被其餘線程獲取),則返回false,也就說這個方法不管如何都會當即返回。在拿不到鎖時不會一直在那等待。

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是相似的,只不過區別在於這個方法在拿不到鎖時會等待必定的時間,在時間期限以內若是還拿不到鎖,就返回 false。若是若是一開始拿到鎖或者在等待期間內拿到了鎖,則返回true。

因此,通常狀況下經過tryLock來獲取鎖時是這樣使用的:

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Lock lock = ...;
if (lock.tryLock()) {
      try {
          //處理任務
      } catch (Exception ex){
 
      } finally {
          lock.unlock();   //釋放鎖
      }
} else {
     //若是不能獲取鎖,則直接作其餘事情
}

lockInterruptibly()方法比較特殊,當經過這個方法去獲取鎖時,若是線程正在等待獲取鎖,則這個線程可以響應中斷,即中斷線程 的等待狀態。也就使說,當兩個線程同時經過lock.lockInterruptibly()想獲取某個鎖時,倘若此時線程A獲取到了鎖,而線程B只有在 等待,那麼對線程B調用threadB.interrupt()方法可以中斷線程B的等待過程。

因爲lockInterruptibly()的聲明中拋出了異常,因此lock.lockInterruptibly()必須放在try塊中或者在調用lockInterruptibly()的方法外聲明拋出InterruptedException。

所以lockInterruptibly()通常的使用形式以下:

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public void method() throws InterruptedException {
     lock.lockInterruptibly();
     try
      //.....
     }
     finally {
         lock.unlock();
    
}

注意,當一個線程獲取了鎖以後,是不會被interrupt()方法中斷的。由於自己在前面的文章中講過單獨調用interrupt()方法不能中斷正在運行過程當中的線程,只能中斷阻塞過程當中的線程。

所以當經過lockInterruptibly()方法獲取某個鎖時,若是不能獲取到,只有進行等待的狀況下,是能夠響應中斷的。

而用synchronized修飾的話,當一個線程處於等待某個鎖的狀態,是沒法被中斷的,只有一直等待下去。

2.ReentrantLock

ReentrantLock,意思是「可重入鎖」,關於可重入鎖的概念在下一節講述。ReentrantLock是惟一實現了Lock接口的類,而且ReentrantLock提供了更多的方法。下面經過一些實例看具體看一下如何使用ReentrantLock。

例子1,lock()的正確使用方法

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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();    //注意這個地方
         lock.lock();
         try {
             System.out.println(thread.getName()+ "獲得了鎖" );
             for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                 arrayList.add(i);
             }
         } catch (Exception e) {
             // TODO: handle exception
         } finally {
             System.out.println(thread.getName()+ "釋放了鎖" );
             lock.unlock();
         }
     }
}

各位朋友先想一下這段代碼的輸出結果是什麼?

Thread-0獲得了鎖
Thread-1獲得了鎖
Thread-0釋放了鎖
Thread-1釋放了鎖

也許有朋友會問,怎麼會輸出這個結果?第二個線程怎麼會在第一個線程釋放鎖以前獲得了鎖?緣由在於,在insert方法中的lock變量是局部變 量,每一個線程執行該方法時都會保存一個副本,那麼理所固然每一個線程執行到lock.lock()處獲取的是不一樣的鎖,因此就不會發生衝突。

知道了緣由改起來就比較容易了,只須要將lock聲明爲類的屬性便可。

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public class Test {
     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方
     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()+ "獲得了鎖" );
             for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                 arrayList.add(i);
             }
         } catch (Exception e) {
             // TODO: handle exception
         } finally {
             System.out.println(thread.getName()+ "釋放了鎖" );
             lock.unlock();
         }
     }
}
 

這樣就是正確地使用Lock的方法了。

例子2,tryLock()的使用方法

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public class Test {
     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方
     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()+ "獲得了鎖" );
                 for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                     arrayList.add(i);
                 }
             } catch (Exception e) {
                 // TODO: handle exception
             } finally {
                 System.out.println(thread.getName()+ "釋放了鎖" );
                 lock.unlock();
             }
         } else {
             System.out.println(thread.getName()+ "獲取鎖失敗" );
         }
     }
}

輸出結果:

Thread-0獲得了鎖
Thread-1獲取鎖失敗
Thread-0釋放了鎖

例子3,lockInterruptibly()響應中斷的使用方法:

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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,若是須要正確中斷等待鎖的線程,必須將獲取鎖放在外面,而後將InterruptedException拋出
         try
             System.out.println(thread.getName()+ "獲得了鎖" );
             long startTime = System.currentTimeMillis();
             for (    ;     ;) {
                 if (System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                     break ;
                 //插入數據
             }
         }
         finally {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "執行finally" );
             lock.unlock();
             System.out.println(thread.getName()+ "釋放了鎖" );
        
     }
}
 
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()+ "被中斷" );
         }
     }
}

運行以後,發現thread2可以被正確中斷。

3.ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一個接口,在它裏面只定義了兩個方法:

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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();
}

一個用來獲取讀鎖,一個用來獲取寫鎖。也就是說將文件的讀寫操做分開,分紅2個鎖來分配給線程,從而使得多個線程能夠同時進行讀操做。下面的ReentrantReadWriteLock實現了ReadWriteLock接口。

4.ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock裏面提供了不少豐富的方法,不過最主要的有兩個方法:readLock()和writeLock()用來獲取讀鎖和寫鎖。

下面經過幾個例子來看一下ReentrantReadWriteLock具體用法。

假若有多個線程要同時進行讀操做的話,先看一下synchronized達到的效果:

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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()+ "正在進行讀操做" );
         }
         System.out.println(thread.getName()+ "讀操做完畢" );
     }
}

這段程序的輸出結果會是,直到thread1執行完讀操做以後,纔會打印thread2執行讀操做的信息。

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Thread- 0 讀操做完畢
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Thread- 1 正在進行讀操做
Thread- 1 讀操做完畢

而改爲用讀寫鎖的話:

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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()+ "正在進行讀操做" );
             }
             System.out.println(thread.getName()+ "讀操做完畢" );
         } finally {
             rwl.readLock().unlock();
         }
     }
}

此時打印的結果爲:

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Thread- 0 讀操做完畢
Thread- 1 讀操做完畢

說明thread1和thread2在同時進行讀操做。

這樣就大大提高了讀操做的效率。

不過要注意的是,若是有一個線程已經佔用了讀鎖,則此時其餘線程若是要申請寫鎖,則申請寫鎖的線程會一直等待釋放讀鎖。

若是有一個線程已經佔用了寫鎖,則此時其餘線程若是申請寫鎖或者讀鎖,則申請的線程會一直等待釋放寫鎖。

關於ReentrantReadWriteLock類中的其餘方法感興趣的朋友能夠自行查閱API文檔。

5.Lock和synchronized的選擇

總結來講,Lock和synchronized有如下幾點不一樣:

1)Lock是一個接口,而synchronized是Java中的關鍵字,synchronized是內置的語言實現;

2)synchronized在發生異常時,會自動釋放線程佔有的鎖,所以不會致使死鎖現象發生;而Lock在發生異常時,若是沒有主動經過unLock()去釋放鎖,則極可能形成死鎖現象,所以使用Lock時須要在finally塊中釋放鎖;

3)Lock可讓等待鎖的線程響應中斷,而synchronized卻不行,使用synchronized時,等待的線程會一直等待下去,不可以響應中斷;

4)經過Lock能夠知道有沒有成功獲取鎖,而synchronized卻沒法辦到。

5)Lock能夠提升多個線程進行讀操做的效率。

在性能上來講,若是競爭資源不激烈,二者的性能是差很少的,而當競爭資源很是激烈時(即有大量線程同時競爭),此時Lock的性能要遠遠優於synchronized。因此說,在具體使用時要根據適當狀況選擇。

三.鎖的相關概念介紹

在前面介紹了Lock的基本使用,這一節來介紹一下與鎖相關的幾個概念。

1.可重入鎖

若是鎖具有可重入性,則稱做爲可重入鎖。像synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖,可重入性在我看來實際上代表了鎖 的分配機制:基於線程的分配,而不是基於方法調用的分配。舉個簡單的例子,當一個線程執行到某個synchronized方法時,好比說method1, 而在method1中會調用另一個synchronized方法method2,此時線程沒必要從新去申請鎖,而是能夠直接執行方法method2。

看下面這段代碼就明白了:

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class MyClass {
     public synchronized void method1() {
         method2();
     }
 
     public synchronized void method2() {
 
     }
}

上述代碼中的兩個方法method1和method2都用synchronized修飾了,假如某一時刻,線程A執行到了method1,此時線 程A獲取了這個對象的鎖,而因爲method2也是synchronized方法,假如synchronized不具有可重入性,此時線程A須要從新申請 鎖。可是這就會形成一個問題,由於線程A已經持有了該對象的鎖,而又在申請獲取該對象的鎖,這樣就會線程A一直等待永遠不會獲取到的鎖。

而因爲synchronized和Lock都具有可重入性,因此不會發生上述現象。

2.可中斷鎖

可中斷鎖:顧名思義,就是能夠相應中斷的鎖。

在Java中,synchronized就不是可中斷鎖,而Lock是可中斷鎖。

若是某一線程A正在執行鎖中的代碼,另外一線程B正在等待獲取該鎖,可能因爲等待時間過長,線程B不想等待了,想先處理其餘事情,咱們可讓它中斷本身或者在別的線程中中斷它,這種就是可中斷鎖。

在前面演示lockInterruptibly()的用法時已經體現了Lock的可中斷性。

3.公平鎖

公平鎖即儘可能以請求鎖的順序來獲取鎖。好比同是有多個線程在等待一個鎖,當這個鎖被釋放時,等待時間最久的線程(最早請求的線程)會得到該所,這種就是公平鎖。

非公平鎖即沒法保證鎖的獲取是按照請求鎖的順序進行的。這樣就可能致使某個或者一些線程永遠獲取不到鎖。

在Java中,synchronized就是非公平鎖,它沒法保證等待的線程獲取鎖的順序。

而對於ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默認狀況下是非公平鎖,可是能夠設置爲公平鎖。

看一下這2個類的源代碼就清楚了:

在ReentrantLock中定義了2個靜態內部類,一個是NotFairSync,一個是FairSync,分別用來實現非公平鎖和公平鎖。

咱們能夠在建立ReentrantLock對象時,經過如下方式來設置鎖的公平性:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

若是參數爲true表示爲公平鎖,爲fasle爲非公平鎖。默認狀況下,若是使用無參構造器,則是非公平鎖。

另外在ReentrantLock類中定義了不少方法,好比:

isFair()        //判斷鎖是不是公平鎖

isLocked()    //判斷鎖是否被任何線程獲取了

isHeldByCurrentThread()   //判斷鎖是否被當前線程獲取了

hasQueuedThreads()   //判斷是否有線程在等待該鎖

在ReentrantReadWriteLock中也有相似的方法,一樣也能夠設置爲公平鎖和非公平鎖。不過要記住,ReentrantReadWriteLock並未實現Lock接口,它實現的是ReadWriteLock接口。

4.讀寫鎖

讀寫鎖將對一個資源(好比文件)的訪問分紅了2個鎖,一個讀鎖和一個寫鎖。

正由於有了讀寫鎖,才使得多個線程之間的讀操做不會發生衝突。

ReadWriteLock就是讀寫鎖,它是一個接口,ReentrantReadWriteLock實現了這個接口。

能夠經過readLock()獲取讀鎖,經過writeLock()獲取寫鎖。

上面已經演示過了讀寫鎖的使用方法,在此再也不贅述。

參考資料:

http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17487337

http://houlinyan.iteye.com/blog/1112535

http://ifeve.com/locks/

http://ifeve.com/read-write-locks/

http://blog.csdn.net/fancyerii/article/details/6783224

http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7461369/

http://blog.csdn.net/zhaozhenzuo/article/details/37109015

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