Java併發編程之鎖機制之Lock接口

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前言

在上篇文章《Java併發編程之鎖機制之引導篇》及相關實現類,咱們大體瞭解了Lock接口（以及相關實現類）在併發編程重要做用。接下來咱們就來具體瞭解Lock接口中聲明的方法以及使用優點。

Lock簡介

Lock 接口實現類提供了比使用 synchronized 方法和語句可得到的更普遍的鎖定操做。此實現容許更靈活的結構，能夠具備差異很大的屬性，能夠支持多個相關的 Condition (Condition實現類ConditonObject來實現線程的通知/與喚醒機制，關於Condition後期會進行介紹)對象。

鎖是用於控制多線程訪問共享資源的工具。一般，鎖提供對共享資源的獨佔訪問：一次只有一個線程能夠獲取鎖，對共享資源的全部訪問都須要首先獲取鎖。可是，一些鎖能夠容許同時訪問共享資源，例如ReadWriteLock。

雖然使用關鍵字synchronized修飾的方法或代碼塊，會使得在監視器模式（ObjectMonitor)下編程變得很是容易(經過synchronized塊或者方法所提供的隱式獲取釋放鎖的便捷性)。雖然這種方式簡化了鎖的管理，可是某些狀況下，仍是建議採用Lock接口（及其相關子類）提供的顯示的鎖的獲取和釋放。例如，針對一個場景，手把手進行鎖獲取和釋放，先得到鎖A，而後再獲取鎖B，當鎖B得到後，釋放鎖A同時獲取鎖C，當鎖C得到後，再釋放B同時獲取鎖D，以此類推。這種場景下， synchronized關鍵字就不那麼容易實現了，而Lock接口的實現類容許鎖在不一樣的做用範圍內獲取和釋放，並容許以任何順序獲取和釋放多個鎖。

Lock接口中的方法

關於Lock接口中涉及到的方法具體以下：（建議直接在PC端查看，手機上有可能看的不是很清楚）

從上表中，咱們就能夠得出使用Lock接口實現的鎖機制與使用傳統的synchronized的區別

1. 嘗試非阻塞地獲取鎖：當線程嘗試獲取鎖，若是這一時刻鎖沒有被其餘線程獲取到，則成功獲取並持有鎖。
2. 能被中斷的獲取鎖：與synchronized不一樣，獲取到鎖的線程可以響應中斷，當獲取到鎖的線程被中斷時，中斷異常會被拋出，同時鎖也會被釋放。
3. 超時獲取鎖：在指定的截止時間以前獲取鎖，若是截止時間到了任然沒法獲取到鎖，則返回。

Lock簡單使用與注意事項

其中Lock的使用方式也很簡單，具體代碼以下所示：

Lock lock = ....;具體實現類
lock.lock();
try {
} finally {
lock.unlock();//建議在finally中釋放鎖
}
複製代碼

當鎖定和解鎖發生在不一樣的範圍時，必定要注意確保在持有鎖時執行的全部代碼都受到try-finally或try-catch的保護，以確保在必要時釋放鎖。不要將獲取鎖的過程寫在try塊中，由於若是在獲取鎖（自定義鎖的實現）時發生了異常，異常拋出的同時，也會致使鎖無端釋放（由於一旦發生異常，就會走finally語句，若是這個異常（多是用戶自定義異常，用戶能夠本身處理）須要線程1來處理，可是接着執行了lock.unlock()語句致使了鎖的釋放。那麼其餘線程就能夠操做共享資源。有可能破壞程序的執行結果）。

Lock相關實現類實現鎖機制

爲了使用Lock接口實現相關鎖功能時，會涉及如下類和接口，這裏仍是把上篇文章提到的UML圖展現出來：

上圖中，

1. 綠色部分爲：其中ReentrantLock（重入鎖）、WriteLock、ReadLock都是Lock的實現類。Segment爲ReentrantLock的子類（在後續文章，ConcurrentHashMap的講解中咱們會說起）。 ReentrantReadWriteLock （讀寫鎖）的實現使用了WriteLock與ReadLock類。
2. 紫色部分爲：其中AbstractQueuedSynchronizer與AbstractQueuedLongSynchronizer都爲AbstractOwnableSynchronizer的子類，該兩個類中都維護了一個同步隊列，用於線程的併發執行。在該兩個類中擁有名爲ConditionObject(爲Conditon的實現類)的內部類，只是其內部實現不一樣。在ConditionObject內部維護了一個等待隊列，用於控制線程的等待與喚醒。

基本代碼結構

在瞭解了Lock相關實現類實現鎖機制後，這裏給實現該鎖機制的大體代碼結構（根據不一樣需求，部分方法實現可能不同，這裏只是一個參考，並非樣本代碼）。具體代碼以下所示：

class LockImpl implements Lock {

    private final sync mSync = new sync();
    @Override
    public void lock() {
        mSync.acquire(1);
    }
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        mSync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return mSync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return mSync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        mSync.release(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return mSync.newCondition();
    }
    
	 //這裏也能夠繼承AbstractQueuedLongSynchronizer
    private static class sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {...}
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {...}
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {...}
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {...}
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {...}
        final ConditionObject newCondition() {...}
    }
}
複製代碼

從代碼中咱們能夠看出，在整個Lock接口下實現的鎖機制中，AQS(這裏咱們將AbstractQueuedSynchronizer 或AbstractQueuedLongSynchronizer統稱爲AQS)是實現鎖的關鍵，整個鎖的實現是在Lock類的實現類中聚合AQS來實現的，從代碼層面上來講，Lock接口（及其實現類）是面向使用者的，它定義了使用者與鎖交互的接口（好比能夠容許兩個線程並行訪問），隱藏了實現細節。AQS與Condition纔是真正的實現者，它簡化了鎖的實現方式，屏蔽了同步狀態管理、線程的排隊、等待與喚醒等底層操做。

總結

1. Lock接口（及其實現類）相比synchronized有以下優勢：

• 鎖的釋放與獲取不在是隱式的，容許鎖在不一樣的做用範圍內獲取和釋放`，並容許以任何順序獲取和釋放多個鎖。
• 能被中斷的獲取鎖，獲取到鎖的線程可以響應中斷，當獲取到鎖的線程被中斷時，中斷異常會被拋出，同時鎖也會被釋放
• 超時獲取鎖：在指定的截止時間以前獲取鎖，若是截止時間到了任然沒法獲取到鎖，則返回。

2. 在使用Lock的時候注意，必定要確保必要時釋放鎖
3. 在整個Lock接口下實現的鎖機制中,AQS(上文進行了統稱)與Condition纔是真正的實現者。