java併發 —— Lock

時間  2019-12-07
標籤 java 併發 lock 欄目 Java 简体版
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java併發 —— Lockhtml

關於java併發中的鎖知識，少不了 Lock。本文轉載自：Java併發編程：Lock。java

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。
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編程

如下是本文目錄大綱：併發

一.synchronized的缺陷ide

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

三.鎖的相關概念介紹this

如有不正之處請多多諒解，並歡迎批評指正。線程

請尊重做者勞動成果，轉載請標明原文連接：3d

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3923167.htmlcode

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？

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：

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：

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：

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：

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

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。

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

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：

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：

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：

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。

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

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：

Thread-0正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
Thread-0正在進行讀操做
Thread-1正在進行讀操做
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：

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。

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