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  • Java并发（2）：Lock

    　　在上一篇文章中我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题，从Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问，那就是Lock。

    　　也许有朋友会问，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？这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起，然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口，最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西。

    一.synchronized的缺陷

    　　synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？

    　　在上面一篇文章中，我们了解到如果一个代码块被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。

    　　总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

    　　1）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；

    　　2）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包下常用的类和接口

    1.Lock

    　　首先要说明的就是Lock，通过查看Lock的源码可知，Lock是一个接口：

    1 public interface Lock {
2     void lock();
3     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
4     boolean tryLock();
5     boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
6     void unlock();
7     Condition newCondition();
8 }

    　　下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。

    　　在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

    　　首先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。

    　　由于在前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

    1 Lock lock = ...;
2 lock.lock();
3 try{
4     //处理任务
5 }catch(Exception ex){
6      
7 }finally{
8     lock.unlock();   //释放锁
9 }

    　　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。

    　　所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

     1 Lock lock = ...;
 2 if(lock.tryLock()) {
 3      try{
 4          //处理任务
 5      }catch(Exception ex){
 6          
 7      }finally{
 8          lock.unlock();   //释放锁
 9      } 
10 }else {
11     //如果不能获取锁，则直接做其他事情
12 }

    　　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。

    　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

    　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

    1 public void method() throws InterruptedException {
2     lock.lockInterruptibly();
3     try {  
4      //.....
5     }
6     finally {
7         lock.unlock();
8     }  
9 }

    　　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。

    　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

    　　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。

    2.ReentrantLock类

    　　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。

    　　例子1，lock()的正确使用方法

     1 public class Test {
 2     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 3     public static void main(String[] args)  {
 4         final Test test = new Test();
 5          
 6         new Thread(){
 7             public void run() {
 8                 test.insert(Thread.currentThread());
 9             };
10         }.start();
11          
12         new Thread(){
13             public void run() {
14                 test.insert(Thread.currentThread());
15             };
16         }.start();
17     }  
18      
19     public void insert(Thread thread) {
20         Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
21         lock.lock();
22         try {
23             System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
24             for(int i=0;i<5;i++) {
25                 arrayList.add(i);
26             }
27         } catch (Exception e) {
28             // TODO: handle exception
29         }finally {
30             System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
31             lock.unlock();
32         }
33     }
34 }

    想一下这段代码的输出结果是什么？

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

    　　也许有人会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。

    　　知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。

     1 public class Test {
 2     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 3     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
 4     public static void main(String[] args)  {
 5         final Test test = new Test();
 6          
 7         new Thread(){
 8             public void run() {
 9                 test.insert(Thread.currentThread());
10             };
11         }.start();
12          
13         new Thread(){
14             public void run() {
15                 test.insert(Thread.currentThread());
16             };
17         }.start();
18     }  
19      
20     public void insert(Thread thread) {
21         lock.lock();
22         try {
23             System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
24             for(int i=0;i<5;i++) {
25                 arrayList.add(i);
26             }
27         } catch (Exception e) {
28             // TODO: handle exception
29         }finally {
30             System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
31             lock.unlock();
32         }
33     }
34 }

    　　这样就是正确地使用Lock的方法了。

    　　例子2，tryLock()的使用方法

     1 public class Test {
 2     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 3     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
 4     public static void main(String[] args)  {
 5         final Test test = new Test();
 6          
 7         new Thread(){
 8             public void run() {
 9                 test.insert(Thread.currentThread());
10             };
11         }.start();
12          
13         new Thread(){
14             public void run() {
15                 test.insert(Thread.currentThread());
16             };
17         }.start();
18     }  
19      
20     public void insert(Thread thread) {
21         if(lock.tryLock()) {
22             try {
23                 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
24                 for(int i=0;i<5;i++) {
25                     arrayList.add(i);
26                 }
27             } catch (Exception e) {
28                 // TODO: handle exception
29             }finally {
30                 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
31                 lock.unlock();
32             }
33         } else {
34             System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
35         }
36     }
37 }

    输出结果：

    Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁
    View Code

    例子3，lockInterruptibly()响应中断的使用方法：

     1 public class Test {
 2     private Lock lock = new ReentrantLock();   
 3     public static void main(String[] args)  {
 4         Test test = new Test();
 5         MyThread thread1 = new MyThread(test);
 6         MyThread thread2 = new MyThread(test);
 7         thread1.start();
 8         thread2.start();
 9          
10         try {
11             Thread.sleep(2000);
12         } catch (InterruptedException e) {
13             e.printStackTrace();
14         }
15         thread2.interrupt();
16     }  
17      
18     public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
19         lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
20         try {  
21             System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
22             long startTime = System.currentTimeMillis();
23             for(    ;     ;) {
24                 if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
25                     break;
26                 //插入数据
27             }
28         }
29         finally {
30             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
31             lock.unlock();
32             System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
33         }  
34     }
35 }
36  
37 class MyThread extends Thread {
38     private Test test = null;
39     public MyThread(Test test) {
40         this.test = test;
41     }
42     @Override
43     public void run() {
44          
45         try {
46             test.insert(Thread.currentThread());
47         } catch (InterruptedException e) {
48             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
49         }
50     }
51 }

    运行之后，发现thread2能够被正确中断。

    3.ReadWriteLock

    ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

     1 public interface ReadWriteLock {
 2     /**
 3      * Returns the lock used for reading.
 4      *
 5      * @return the lock used for reading.
 6      */
 7     Lock readLock();
 8  
 9     /**
10      * Returns the lock used for writing.
11      *
12      * @return the lock used for writing.
13      */
14     Lock writeLock();
15 }

    　　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。

    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。

    　　下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。

    　　假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下synchronized达到的效果：

     1 public class Test {
 2     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 3 
 4     public static void main(String[] args)  {
 5         final Test test = new Test();
 6 
 7         new Thread(){
 8             public void run() {
 9                 test.get(Thread.currentThread());
10             };
11         }.start();
12 
13         new Thread(){
14             public void run() {
15                 test.get(Thread.currentThread());
16             };
17         }.start();
18     }   
19 
20     public synchronized void get(Thread thread) {
21         long start = System.currentTimeMillis();
22         while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
23             System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
24         }
25         System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
26     }
27 }

    这段程序的输出结果会是，直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。

    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-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-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-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-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-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-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-0读操作完毕
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-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-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-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-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-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-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-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕
    View Code

    而改成用读写锁的话：

     1 public class Test {
 2     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 3 
 4     public static void main(String[] args)  {
 5         final Test test = new Test();
 6 
 7         new Thread(){
 8             public void run() {
 9                 test.get(Thread.currentThread());
10             };
11         }.start();
12 
13         new Thread(){
14             public void run() {
15                 test.get(Thread.currentThread());
16             };
17         }.start();
18     }   
19 
20     public void get(Thread thread) {
21         rwl.readLock().lock();
22         try {
23             long start = System.currentTimeMillis();
24 
25             while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
26                 System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
27             }
28             System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
29         } finally {
30             rwl.readLock().unlock();
31         }
32     }
33 }

    此时打印的结果为：

    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-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-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-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-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-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-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-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-0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
    View Code

    　　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。

    　　关于ReentrantReadWriteLock类中的其他方法可以自行查阅API文档。

    三. Lock和synchronized的比较

    　　总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

    　　1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；

    　　2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；

    　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；

    　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。

    　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

    　　在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

    四. 锁的相关概念介绍

    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，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。

    　　看下面这段代码就明白了：

    1 class MyClass {
2     public synchronized void method1() {
3         method2();
4     }
5      
6     public synchronized void method2() {
7          
8     }
9 }

    　　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。

    2.可中断锁

    　　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。

    　　在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

    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中定义了2个静态内部类，一个是NotFairSync，一个是FairSync，分别用来实现非公平锁和公平锁。

    　　我们可以在创建ReentrantLock对象时，通过以下方式来设置锁的公平性：

    1 ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

    　　如果参数为true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。

    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。

    　　上面已经演示过了读写锁的使用方法，在此不再赘述。

     
    作者：海子

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