Java 并发编程系列文章
Java 并发编程——Callable+Future+FutureTask
java并发编程——通过ReentrantLock,Condition实现银行存取款
java.util.concurrent.locks包为锁和等待条件提供一个框架的接口和类，它不同于内置同步和监视器。该框架允许更灵活地使用锁和条件，但以更难用的语法为代价。
Lock 接口支持那些语义不同（重入、公平等）的锁规则，可以在非阻塞式结构的上下文（包括 hand-over-hand 和锁重排算法）中使用这些规则。主要的实现是 ReentrantLock。
ReadWriteLock 接口以类似方式定义了一些读取者可以共享而写入者独占的锁。此包只提供了一个实现，即 ReentrantReadWriteLock，因为它适用于大部分的标准用法上下文。但程序员可以创建自己的、适用于非标准要求的实现。
以下是locks包的相关类图：
在之前我们同步一段代码或者对象时都是使用 synchronized关键字，使用的是Java语言的内置特性，然而 synchronized的特性也导致了很多场景下出现问题，比如：
在一段同步资源上，首先线程A获得了该资源的锁，并开始执行，此时其他想要操作此资源的线程就必须等待。如果线程A因为某些原因而处于长时间操作的状态，比如等待网络，反复重试等等。那么其他线程就没有办法及时的处理它们的任务，只能无限制的等待下去。如果线程A的锁在持有一段时间后可自动被释放，那么其他线程不就可以使用该资源了吗？再有就是类似于数据库中的共享锁与排它锁，是否也可以应用到应用程序中？所以引入Lock机制就可以很好的解决这些问题。
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。
3. synchronized无法判断是否获取锁的状态，Lock可以判断是否获取到锁；
4. 用synchronized关键字的两个线程1和线程2，如果当前线程1获得锁，线程2线程等待。如果线程1阻塞，线程2则会一直等待下去，而Lock锁就不一定会等待下去，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了；
总结： synchronized的锁可重入、不可中断、非公平，而Lock锁可重入、可判断、可公平（两者皆可）
一、可重入锁 ReentrantLock
想到锁我们一般想到的是同步锁即 Synchronized,这里介绍的可重入锁ReentrantLock的效率更高。IBM对于可重入锁进行了一个介绍：JDK 5.0 中更灵活、更具可伸缩性的锁定机制
这里简单介绍下可重入锁的分类：（假设线程A获取了锁，现在A执行完成了，释放了锁同时唤醒了正在等待被唤醒的线程B。但是，A执行唤醒操作到B真正获取锁的时间里可能存在线程C已经获取了锁，造成正在排队等待的B无法获得锁）
1) 公平锁：
由于B先在等待被唤醒，为了保证公平性原则，公平锁会先让B获得锁。
2) 非公平锁
不保证B先获取到锁对象。
这两种锁只要在构造ReentrantLock对象时加以区分就可以了，当参数设置为true时为公平锁，false时为非公平锁，同时默认构造函数也是创建了一个非公平锁。
private Lock lock = new ReentrantLock(true);
ReentrantLock的公平锁在性能和实效性上作了很大的牺牲，可以参考IBM上发的那篇文章中的说明。
二、条件变量 Condition
Condition是java.util.concurrent.locks包下的一个接口, Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似，但提供了更强大的功能。需要特别指出的是，单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题，Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。
Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。
Condition（也称为条件队列 或条件变量）为线程提供了一种手段，在某个状态条件下直到接到另一个线程的通知，一直处于挂起状态（即“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受到保护，因此要将某种形式的锁与 Condition相关联。
Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。
Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，
使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。
因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。 Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法； Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition() 调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用 Conditon中的await()对应Object的wait()；
Condition中的signal()对应Object的notify()； Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
通过condition进程线程通信的例子如下：
public class ConsumerAndProducer { final Lock lock = new ReentrantLock(); final Condition condition = lock.newCondition(); public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub ConsumerAndProducer test = new ConsumerAndProducer(); Producer producer = test.new Producer("producer"); Consumer consumer = test.new Consumer("Consumer"); consumer.start(); producer.start(); } class Consumer extends Thread { public Consumer(String name) { super(name); } @Override public void run() { consume(); } private void consume() { try { System.out.println("Consumer: run."); lock.lock(); System.out.println("Consumer: 我在等一个新信号" + this.currentThread().getName()); Thread.sleep(5000); condition.await(); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } finally { System.out.println("Consumer: 拿到一个信号" + this.currentThread().getName()); lock.unlock(); } } } class Producer extends Thread { public Producer(String name) { super(name); } @Override public void run() { produce(); } private void produce() { try { System.out.println("Producer run."); lock.lock(); System.out.println("Producer: 我拿到锁" + this.currentThread().getName()); condition.signalAll(); System.out.println("Producer: 我发出了一个信号：" + this.currentThread().getName()); } finally { lock.unlock(); } } } }
输出：
Consumer: run.
Consumer: 我在等一个新信号Consumer
Producer run.
Producer: 我拿到锁producer
Producer: 我发出了一个信号：producer
Consumer: 拿到一个信号Consumer
三、ReentrantLock和Condition设计多线程存取款
1. 存款的时候，不能有线程在取款 。取款的时候，不能有线程在存款。
2. 取款时，余额大于取款金额才能进行取款操作，否则提示余额不足。
3. 当取款时，如果金额不足，则阻塞当前线程，并等待2s（可能有其他线程将钱存入）。
如果2s之内没有其它线程完成存款，或者还是金额不足则打印金额不足。
如果其它存入足够金额则通知该阻塞线程，并完成取款操作。
/** * 普通银行账户，不可透支 */ public class MyCount { private String oid; // 账号 private int cash; // 账户余额 //账户锁，这里采用公平锁，挂起的取款线程优先获得锁，而不是让其它存取款线程获得锁 private Lock lock = new ReentrantLock(true); private Condition _save = lock.newCondition(); // 存款条件 private Condition _draw = lock.newCondition(); // 取款条件 MyCount(String oid, int cash) { this.oid = oid; this.cash = cash; } /** * 存款 * @param x 操作金额 * @param name 操作人 */ public void saving(int x, String name) { lock.lock(); // 获取锁 if (x > 0) { cash += x; // 存款 System.out.println(name + "存款" + x + "，当前余额为" + cash); } _draw.signalAll(); // 唤醒所有等待线程。 lock.unlock(); // 释放锁 } /** * 取款 * @param x 操作金额 * @param name 操作人 */ public void drawing(int x, String name) { lock.lock(); // 获取锁 try { if (cash - x < 0) { System.out.println(name + "阻塞中"); _draw.await(2000,TimeUnit.MILLISECONDS); // 阻塞取款操作, await之后就隐示自动释放了lock，直到被唤醒自动获取 } if(cash-x>=0){ cash -= x; // 取款 System.out.println(name + "取款" + x + "，当前余额为" + cash); }else{ System.out.println(name+" 余额不足,当前余额为 "+cash+" 取款金额为 "+x); } // 唤醒所有存款操作，这里并没有什么实际作用，因为存款代码中没有阻塞的操作 _save.signalAll(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); // 释放锁 } } }
这里的可重入锁也可以设置成非公平锁，这样阻塞取款线程可能后与其它存取款操作。
/** * 存款线程类 */ static class SaveThread extends Thread { private String name; // 操作人 private MyCount myCount; // 账户 private int x; // 存款金额 SaveThread(String name, MyCount myCount, int x) { this.name = name; this.myCount = myCount; this.x = x; } public void run() { myCount.saving(x, name); } } /** * 取款线程类 */ static class DrawThread extends Thread { private String name; // 操作人 private MyCount myCount; // 账户 private int x; // 存款金额 DrawThread(String name, MyCount myCount, int x) { this.name = name; this.myCount = myCount; this.x = x; } public void run() { myCount.drawing(x, name); } } public static void main(String[] args) { // 创建并发访问的账户 MyCount myCount = new MyCount("95599200901215522", 1000); // 创建一个线程池 ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3); Thread t1 = new SaveThread("S1", myCount, 100); Thread t2 = new SaveThread("S2", myCount, 1000); Thread t3 = new DrawThread("D1", myCount, 12600); Thread t4 = new SaveThread("S3", myCount, 600); Thread t5 = new DrawThread("D2", myCount, 2300); Thread t6 = new DrawThread("D3", myCount, 1800); Thread t7 = new SaveThread("S4", myCount, 200); // 执行各个线程 pool.execute(t1); pool.execute(t2); pool.execute(t3); pool.execute(t4); pool.execute(t5); pool.execute(t6); pool.execute(t7); try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // 关闭线程池 pool.shutdown(); } }
上述类中定义了多个存取款的线程，执行结果如下：
S1存款100，当前余额为1100
S3存款600，当前余额为1700
D2阻塞中
S2存款1000，当前余额为2700
D2取款2300，当前余额为400
D3阻塞中
S4存款200，当前余额为600
D3 余额不足,当前余额为 600 取款金额为 1800
D1阻塞中
D1 余额不足,当前余额为 600 取款金额为 12600
执行步骤如下：
- 初始化账户，有余额100。
- S1，S3完成存款。
- D2取款，余额不足，释放锁并阻塞线程，进入等待队列中。
- S2完成存款操作后，会唤醒挂起的线程，这时D2完成了取款。
- D3取款，余额不足，释放锁并阻塞线程，进入等待队列中。
- S4完成存款操作后，唤醒D3，但是依然余额不足，D3 取款失败。
- D1 进行取款，等待2s钟，无任何线程将其唤醒，取款失败。
这里需要注意的是，当Condition调用await()方法时，当前线程会释放锁（否则就和Sychnize就没有区别了）
将银行账户中的 锁改成非公平锁时，执行的结果如下：
1存款100，当前余额为1100 S3存款600，当前余额为1700 D2阻塞中 S2存款1000，当前余额为2700 D3取款1800，当前余额为900 D2 余额不足,当前余额为 900 取款金额为 2300 S4存款200，当前余额为1100 D1阻塞中 D1 余额不足,当前余额为 1100 取款金额为 12600
D2 取款出现余额不足后释放锁，进入等待状态。但是当S2线程完成存款后并没有立刻执行D2线程，而是被D3插队了。
通过执行结果可以看出 公平锁和非公平锁的区别，公平锁能保证等待线程优先执行，但是非公平锁可能会被其它线程插队。
四、ArrayBlockingQueue中关于ReentrantLock和Condition的应用
JDK源码中关于可重入锁的非常典型的应用是 BlockingQueue，从它的源码中的成员变量大概就能知道了（ArrayBlockingQueue为例）：
/** The queued items */
final Object[] items;
/** items index for next take, poll, peek or remove */
int takeIndex;
/** items index for next put, offer, or add */
int putIndex;
/** Number of elements in the queue */
int count;
/*
* Concurrency control uses the classic two-condition algorithm
* found in any textbook.
*/
/** Main lock guarding all access */
// 主要解决多线程访问的线程安全性问题
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
// 添加元素时，通过notEmpty 唤醒消费线程（在等待该条件）
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
// 删除元素时，通过 notFull 唤醒生成线程（在等待该条件）
private final Condition notFull;
ArrayBlockingQueue 是一个典型的生产者消费者模型，通过一个数组保存元素。为了保证添加和删除元素的线程安全性，增加了可重入锁和条件变量。
可重入锁主要保证多线程对阻塞队列的操作是线程安全的，同时为了让被阻塞的消费者或者生产者能够被自动唤醒，这里引入了条件变量。
当队列已满时，Producer会被阻塞，此时如果Customer消费一个元素时，被阻塞的Producer就会被自动唤醒并往队列中添加元素。
上面的两个例子可见java.util.concurrent.locks包下的ReentrantLock和Condition配合起来的灵活性及实用性。
参考：
可重入锁介绍：https://blog.csdn.net/yanyan19880509/article/details/52345422
https://www.cnblogs.com/nullllun/p/9004309.html
IBM关于Lock介绍：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp10264/index.html
http://286.iteye.com/blog/2296249