java并发系列(三)-----ReentrantLock(重入锁)功能详解和应用演示

1. ReentrantLock简介

jdk中独占锁的实现除了使用关键字synchronized外,还可以使用ReentrantLock。虽然在性能上ReentrantLock和synchronized没有什么区别，但ReentrantLock相比synchronized而言功能更加丰富，使用起来更为灵活，也更适合复杂的并发场景。

2. ReentrantLock和synchronized的相同点

2.1 ReentrantLock是独占锁且可重入的

• 例子

public class ReentrantLockTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            lock.lock();
        }

        for(int i=1;i<=3;i++){
            try {

            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

上面的代码通过lock()方法先获取锁三次，然后通过unlock()方法释放锁3次，程序可以正常退出。从上面的例子可以看出,ReentrantLock是可以重入的锁,当一个线程获取锁时,还可以接着重复获取多次。在加上ReentrantLock的的独占性，我们可以得出以下ReentrantLock和synchronized的相同点。

• 1.ReentrantLock和synchronized都是独占锁,只允许线程互斥的访问临界区。但是实现上两者不同:synchronized加锁解锁的过程是隐式的,用户不用手动操作,优点是操作简单，但显得不够灵活。一般并发场景使用synchronized的就够了；ReentrantLock需要手动加锁和解锁,且解锁的操作尽量要放在finally代码块中,保证线程正确释放锁。ReentrantLock操作较为复杂，但是因为可以手动控制加锁和解锁过程,在复杂的并发场景中能派上用场。

• 2.ReentrantLock和synchronized都是可重入的。synchronized因为可重入因此可以放在被递归执行的方法上,且不用担心线程最后能否正确释放锁；而ReentrantLock在重入时要却确保重复获取锁的次数必须和重复释放锁的次数一样，否则可能导致其他线程无法获得该锁。

3. ReentrantLock相比synchronized的额外功能

3.1 ReentrantLock可以实现公平锁

公平锁是指当锁可用时,在锁上等待时间最长的线程将获得锁的使用权。而非公平锁则随机分配这种使用权。和synchronized一样，默认的ReentrantLock实现是非公平锁,因为相比公平锁，非公平锁性能更好。当然公平锁能防止饥饿,某些情况下也很有用。在创建ReentrantLock的时候通过传进参数true创建公平锁,如果传入的是false或没传参数则创建的是非公平锁。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

继续跟进看下源码

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

可以看到公平锁和非公平锁的实现关键在于成员变量sync的实现不同,这是锁实现互斥同步的核心。以后有机会我们再细讲。

• 一个公平锁的例子

public class ReentrantLockTest {

    static Lock lock = new ReentrantLock(true);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(new ThreadDemo(i)).start();
        }

    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Integer id;

        public ThreadDemo(Integer id) {
            this.id = id;
        }

        @Override

      public void run() {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            for(int i=0;i<2;i++){
                lock.lock();
                System.out.println("获得锁的线程："+id);
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

公平锁结果：

我们开启5个线程,让每个线程都获取释放锁两次。为了能更好的观察到结果,在每次获取锁前让线程休眠10毫秒。可以看到线程几乎是轮流的获取到了锁。如果我们改成非公平锁,再看下结果

非公平锁结果：

线程会重复获取锁。如果申请获取锁的线程足够多,那么可能会造成某些线程长时间得不到锁。这就是非公平锁的“饥饿”问题。

公平锁和非公平锁该如何选择？

大部分情况下我们使用非公平锁，因为其性能比公平锁好很多。但是公平锁能够避免线程饥饿，某些情况下也很有用。

3.2 .ReentrantLock可响应中断

当使用synchronized实现锁时,阻塞在锁上的线程除非获得锁否则将一直等待下去，也就是说这种无限等待获取锁的行为无法被中断。而ReentrantLock给我们提供了一个可以响应中断的获取锁的方法lockInterruptibly()。该方法可以用来解决死锁问题。

• 响应中断的例子

public class ReentrantLockTest {
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new ThreadDemo(lock1, lock2));//该线程先获取锁1,再获取锁2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//该线程先获取锁2,再获取锁1
        thread.start();
        thread1.start();
        thread.interrupt();//是第一个线程中断
    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Lock firstLock;
        Lock secondLock;
        public ThreadDemo(Lock firstLock, Lock secondLock) {
            this.firstLock = firstLock;
            this.secondLock = secondLock;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                firstLock.lockInterruptibly();
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);//更好的触发死锁
                secondLock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                firstLock.unlock();
                secondLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正常结束!");
            }
        }
    }
}

结果

构造死锁场景:创建两个子线程,子线程在运行时会分别尝试获取两把锁。其中一个线程先获取锁1在获取锁2，另一个线程正好相反。如果没有外界中断，该程序将处于死锁状态永远无法停止。我们通过使其中一个线程中断，来结束线程间毫无意义的等待。被中断的线程将抛出异常，而另一个线程将能获取锁后正常结束。

3.3 获取锁时限时等待

 ReentrantLock还给我们提供了获取锁限时等待的方法tryLock(),可以选择传入时间参数,表示等待指定的时间,无参则表示立即返回锁申请的结果:true表示获取锁成功,false表示获取锁失败。我们可以使用该方法配合失败重试机制来更好的解决死锁问题。

• 更好的解决死锁的例子

public class ReentrantLockTest {
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new ThreadDemo(lock1, lock2));//该线程先获取锁1,再获取锁2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//该线程先获取锁2,再获取锁1
        thread.start();
        thread1.start();
    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Lock firstLock;
        Lock secondLock;
        public ThreadDemo(Lock firstLock, Lock secondLock) {
            this.firstLock = firstLock;
            this.secondLock = secondLock;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                while(!lock1.tryLock()){
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                }
                while(!lock2.tryLock()){
                    lock1.unlock();
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                firstLock.unlock();
                secondLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正常结束!");
            }
        }
    }
}

结果

线程通过调用tryLock()方法获取锁,第一次获取锁失败时会休眠10毫秒,然后重新获取，直到获取成功。第二次获取失败时,首先会释放第一把锁,再休眠10毫秒,然后重试直到成功为止。线程获取第二把锁失败时将会释放第一把锁，这是解决死锁问题的关键,避免了两个线程分别持有一把锁然后相互请求另一把锁。

4. 结合Condition实现等待通知机制

使用synchronized结合Object上的wait和notify方法可以实现线程间的等待通知机制。ReentrantLock结合Condition接口同样可以实现这个功能。而且相比前者使用起来更清晰也更简单。

4.1 Condition使用简介

Condition由ReentrantLock对象创建,并且可以同时创建多个

static Condition notEmpty = lock.newCondition();

static Condition notFull = lock.newCondition();

Condition接口在使用前必须先调用ReentrantLock的lock()方法获得锁。之后调用Condition接口的await()将释放锁,并且在该Condition上等待,直到有其他线程调用Condition的signal()方法唤醒线程。使用方式和wait,notify类似。

• 一个使用condition的简单例子

public class ConditionTest {

    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    static Condition condition = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        lock.lock();
        new Thread(new SignalThread()).start();
        System.out.println("主线程等待通知");
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println("主线程恢复运行");
    }
    static class SignalThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                condition.signal();
                System.out.println("子线程通知");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

运行结果

4.2 使用Condition实现简单的阻塞队列

阻塞队列是一种特殊的先进先出队列,它有以下几个特点
1.入队和出队线程安全
2.当队列满时,入队线程会被阻塞;当队列为空时,出队线程会被阻塞。

• 阻塞队列的简单实现

public class MyBlockingQueue<E> {

    int size;//阻塞队列最大容量

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    LinkedList<E> list=new LinkedList<>();//队列底层实现

    Condition notFull = lock.newCondition();//队列满时的等待条件
    Condition notEmpty = lock.newCondition();//队列空时的等待条件

    public MyBlockingQueue(int size) {
        this.size = size;
    }

    public void enqueue(E e) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() ==size)//队列已满,在notFull条件上等待
                notFull.await();
            list.add(e);//入队:加入链表末尾
            System.out.println("入队：" +e);
            notEmpty.signal(); //通知在notEmpty条件上等待的线程
        } finally {
　　　　　　　 System.out.println("****************队列有数据或队列满了，需要通知出列线程干活");
            lock.unlock();
        }
    }

    public E dequeue() throws InterruptedException {
        E e;
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == 0)//队列为空,在notEmpty条件上等待
                notEmpty.await();
            e = list.removeFirst();//出队:移除链表首元素
            System.out.println("出队："+e);
            notFull.signal();//通知在notFull条件上等待的线程
            return e;
        } finally {
            System.out.println("****************出列线程干活，需要通知入队列线程干活");
            lock.unlock();
        }
    }
}

• 测试代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    MyBlockingQueue<Integer> queue = new MyBlockingQueue<>(2);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int data = i;
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    queue.enqueue(data);
                } catch (InterruptedException e) {

                }
            }
        }).start();

    }
    for(int i=0;i<5;i++){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Integer data = queue.dequeue();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

}

运行结果

可以看到执行condition.await()或condition.signal()之后，必须执行lock.unlock()，因为这个相当于大门锁，而condition相当于进了大门后的各个房间的小锁。

5.示例

题目：编写一个程序，开启3个线程，这三个线程的ID分别为A、B、C，每个线程将自己的ID在屏幕上打印20遍，要求输出的结果必须按顺序显示。如：ABCABCABC…… 依次递归。

package arithmetic.com.ty.binary;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Test {

    /*
     * 编写一个程序，开启 3 个线程，这三个线程的 ID 分别为 A、B、C，每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印 10 遍，要求输出的结果必须按顺序显示。
     * 如：ABCABCABC…… 依次递归
     * 思路：1、创建三个线程，分别打印A、B、C
     *       2、让三个线程能给协同起来，通过一个条件+condition实现线程之间的通信
     *    3、先规定A线程运行，A运行完通知B，B通知C，C唤醒A，如此重复。这是一个循环里的操作
     *    4、打印多少遍，就共有多少个循环
     */
    public static void main(String[] args) {
        AlternateDemo ad = new AlternateDemo();

        /**
         * 创建三个线程，分别打印A、B、C
         */
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                    ad.loopA(i);
                }
            }
        }, "A").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                    ad.loopB(i);
                }
            }
        }, "B").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                    ad.loopC(i);
                    System.out.println("-----------------------------------");
                }
            }
        }, "C").start();
    }

}

class AlternateDemo {

    private int number = 1; // 当前正在执行线程的标记

    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();

    /**
     * @param totalLoop : 循环第几轮
     */
    public void loopA(int totalLoop) {
        lock.lock();
        try {
            // 1. 判断
            if (number != 1) {
                condition1.await();
            }
            // 2. 打印
            for (int i = 1; i <= 1; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + i + "	" + totalLoop);
            }
            // 3. 唤醒
            number = 2;
            condition2.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void loopB(int totalLoop) {
        lock.lock();
        try {
            // 1. 判断
            if (number != 2) {
                condition2.await();
            }
            // 2. 打印
            for (int i = 1; i <= 1; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + i + "	" + totalLoop);
            }
            // 3. 唤醒
            number = 3;
            condition3.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void loopC(int totalLoop) {
        lock.lock();
        try {
            // 1. 判断
            if (number != 3) {
                condition3.await();
            }
            // 2. 打印
            for (int i = 1; i <= 1; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "	" + i + "	" + totalLoop);
            }
            // 3. 唤醒
            number = 1;
            condition1.signal();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

运行结果：

A    1    1
B    1    1
C    1    1
-----------------------------------
A    1    2
B    1    2
C    1    2
-----------------------------------
A    1    3
B    1    3
C    1    3
-----------------------------------
A    1    4
B    1    4
C    1    4
-----------------------------------
A    1    5
B    1    5
C    1    5
-----------------------------------
A    1    6
B    1    6
C    1    6
-----------------------------------
A    1    7
B    1    7
C    1    7
-----------------------------------
A    1    8
B    1    8
C    1    8
-----------------------------------
A    1    9
B    1    9
C    1    9
-----------------------------------
A    1    10
B    1    10
C    1    10
-----------------------------------

6. 总结

ReentrantLock是可重入的独占锁。比起synchronized功能更加丰富，支持公平锁实现，支持中断响应以及限时等待等等。可以配合一个或多个Condition条件方便的实现等待通知机制。