Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock

本章对ReentrantLock包进行基本介绍，这一章主要对ReentrantLock进行概括性的介绍，内容包括：
ReentrantLock介绍
ReentrantLock函数列表
ReentrantLock示例
在后面的两章，会分别介绍ReentrantLock的两个子类(公平锁和非公平锁)的实现原理。
转载请注明出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3496101.html

ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

ReentrantLock函数列表

// 创建一个 ReentrantLock ，默认是“非公平锁”。
ReentrantLock()
// 创建策略是fair的 ReentrantLock。fair为true表示是公平锁，fair为false表示是非公平锁。
ReentrantLock(boolean fair)

// 查询当前线程保持此锁的次数。
int getHoldCount()
// 返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一个 collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回正等待获取此锁的线程估计数。
int getQueueLength()
// 返回一个 collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)
// 返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查询给定线程是否正在等待获取此锁。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查询是否有些线程正在等待获取此锁。
boolean hasQueuedThreads()
// 查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果是“公平锁”返回true，否则返回false。
boolean isFair()
// 查询当前线程是否保持此锁。
boolean isHeldByCurrentThread()
// 查询此锁是否由任意线程保持。
boolean isLocked()
// 获取锁。
void lock()
// 如果当前线程未被中断，则获取锁。
void lockInterruptibly()
// 返回用来与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。
Condition newCondition()
// 仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。
boolean tryLock()
// 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁。
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
// 试图释放此锁。
void unlock()

ReentrantLock示例

通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用

示例1

package lock;

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

// 仓库
class Depot {
    private int size; // 仓库的实际数量
    private Lock lock; // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d
", Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d
", Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
};

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=60
Thread-1 produce(120) --> size=180
Thread-3 consume(150) <-- size=30
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50

结果分析：
(01) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。
(02) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(03) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(04) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！

这个模型存在两个问题：
(01) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！
(02) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！
这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。

示例2

package lock.demo2;

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

// 仓库
class Depot {
    private int size; // 仓库的实际数量
    private Lock lock; // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
        // lock.lock();
        // try {
        size += val;
        System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d
", Thread.currentThread().getName(), val, size);
        // } catch (InterruptedException e) {
        // } finally {
        // lock.unlock();
        // }
    }

    public void consume(int val) {
        // lock.lock();
        // try {
        size -= val;
        System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d
", Thread.currentThread().getName(), val, size);
        // } finally {
        // lock.unlock();
        // }
    }
};

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-1 produce(120) --> size=-60
Thread-3 consume(150) <-- size=-60

结果说明：
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。

示例3

在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。

/*
 * Project Name:Test  
 * File Name:LockTest3.java  
 * Package Name:lock.demo3  
 * Date:2016年12月30日上午9:18:20  
 * Copyright (c) 2016, S.F. Express Inc. All rights reserved.  
 */
package lock.demo3;

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

// LockTest3.java
// 仓库
class Depot {
    private int capacity; // 仓库的容量
    private int size; // 仓库的实际数量
    private Lock lock; // 独占锁
    private Condition fullCondtion; // 生产条件
    private Condition emptyCondtion; // 消费条件

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.fullCondtion = lock.newCondition();
        this.emptyCondtion = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多次生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    fullCondtion.await();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size + left) > capacity ? (capacity - size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d
", Thread.currentThread().getName(),
                        val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                emptyCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    emptyCondtion.await();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
                // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size < left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d
", Thread.currentThread().getName(),
                        val, left, dec, size);
                fullCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String toString() {
        return "capacity:" + capacity + ", actual size:" + size;
    }
};

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50

代码中的已经包含了很详细的注释，这里就不再说明了。

使用场景

从使用场景的角度出发来介绍对ReentrantLock的使用，相对来说容易理解一些。

场景1：如果发现该操作已经在执行中则不再执行（有状态执行）

a、用在定时任务时，如果任务执行时间可能超过下次计划执行时间，确保该有状态任务只有一个正在执行，忽略重复触发。
b、用在界面交互时点击执行较长时间请求操作时，防止多次点击导致后台重复执行（忽略重复触发）。

以上两种情况多用于进行非重要任务防止重复执行，（如：清除无用临时文件，检查某些资源的可用性，数据备份操作等）

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//参数默认false，不公平锁
    
    public void test1() {
         if (lock.tryLock()) {  //如果已经被lock，则立即返回false不会等待，达到忽略操作的效果 
             try {
                 System.out.println("test1 获得锁");
                 System.out.println("test1 工作");
             } finally {
                 lock.unlock();
             }
         } else {
             System.out.println("test1 未获得锁");
         }
    }

场景2：如果发现该操作已经在执行，等待一个一个执行（同步执行，类似synchronized）

这种比较常见大家也都在用，主要是防止资源使用冲突，保证同一时间内只有一个操作可以使用该资源。
但与synchronized的明显区别是性能优势（伴随jvm的优化这个差距在减小）。同时Lock有更灵活的锁定方式，公平锁与不公平锁，而synchronized永远是不公平的。

这种情况主要用于对资源的争抢（如：文件操作，同步消息发送，有状态的操作等）

ReentrantLock默认情况下为不公平锁

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁
    
    public void test2() {
        try {
            lock.lock(); //如果被其它资源锁定，会在此等待锁释放，达到暂停的效果
            //操作
            System.out.println("test2 获得锁");
                System.out.println("test2 工作");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

不公平锁与公平锁的区别：

公平情况下，操作会排一个队按顺序执行，来保证执行顺序。（会消耗更多的时间来排队）
不公平情况下，是无序状态允许插队，jvm会自动计算如何处理更快速来调度插队。（如果不关心顺序，这个速度会更快）

场景3：如果发现该操作已经在执行，则尝试等待一段时间，等待超时则不执行（尝试等待执行）

这种其实属于场景2的改进，等待获得锁的操作有一个时间的限制，如果超时则放弃执行。
用来防止由于资源处理不当长时间占用导致死锁情况（大家都在等待资源，导致线程队列溢出）。

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁
    
    public void test3() {
        try {
            if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {  //如果已经被lock，尝试等待5s，看是否可以获得锁，如果5s后仍然无法获得锁则返回false继续执行
                try {
                    //操作
                    System.out.println("test3 获得锁");
                        System.out.println("test3 工作");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace(); //当前线程被中断时(interrupt)，会抛InterruptedException                 
        }
        
    }

场景4：如果发现该操作已经在执行，等待执行。这时可中断正在进行的操作立刻释放锁继续下一操作。

synchronized与Lock在默认情况下是不会响应中断(interrupt)操作，会继续执行完。lockInterruptibly()提供了可中断锁来解决此问题。（场景2的另一种改进，没有超时，只能等待中断或执行完毕）

这种情况主要用于取消某些操作对资源的占用。如：（取消正在同步运行的操作，来防止不正常操作长时间占用造成的阻塞）

ReentrantLock的lock机制有2种，忽略中断锁和响应中断锁（与synchronized的区别），这给我们带来了很大的灵活性。比如：如果A、B 两个线程去竞争锁，A线程得到了锁，B线程等待，但是A线程这个时候实在有太多事情要处理，就是一直不返回，B线程可能就会等不及了，想中断自己，不再等待这个锁了，转而处理其他事情。这个时候ReentrantLock就提供了两种方式处理：

第一，B线程中断自己（或者别的线程中断它），但是ReentrantLock 不去响应，继续让B线程等待，你再怎么中断，我全当耳边风（synchronized原语就是如此）；

第二，B线程中断自己（或者别的线程中断它），ReentrantLock 处理了这个中断，并且不再等待这个锁的到来，继续向下执行B线程的其它工作。

package lock.demo4;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Test {
    //是用ReentrantLock，还是用synchronized
    public static boolean useSynchronized = false;

    public static void main(String[] args) {
        IBuffer buff = null;
        if (useSynchronized) {
            buff = new Buffer();
        } else {
            buff = new BufferInterruptibly();
        }
        final Writer writer = new Writer(buff);
        final Reader reader = new Reader(buff);
        writer.start();
        reader.start();
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                long start = System.currentTimeMillis();
                for (;;) {
                    // 等5秒钟去中断读
                    if (System.currentTimeMillis() - start > 5000) {
                        System.out.println("[主线程]调用reader.interrupt()发出“的尝试中断消息”，让Reader线程不再等了");
                        reader.interrupt();
                        break;
                    }

                }

            }
        }).start();
    }
}

interface IBuffer {
    public void write();

    public void read() throws InterruptedException;
}

class Buffer implements IBuffer {
    private Object lock;

    public Buffer() {
        lock = this;
    }

    public void write() {
        synchronized (lock) {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("[Writer线程]开始往这个buff写入数据…");
            for (;;)// 模拟要处理很长时间
            {
                if (System.currentTimeMillis() - startTime > Integer.MAX_VALUE)
                    break;
            }
            System.out.println("终于写完了");
        }
    }

    public void read() {
        synchronized (lock) {
            System.out.println("从这个buff读数据");
        }
    }
}

class BufferInterruptibly implements IBuffer {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void write() {
        lock.lock();
        try {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("[Writer线程]开始往这个buff写入数据…");
            for (;;)// 模拟要处理很长时间
            {
                if (System.currentTimeMillis() - startTime > Integer.MAX_VALUE)
                    break;
            }
            System.out.println("终于写完了");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void read() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();// 注意这里，可以响应中断
        try {
            System.out.println("从这个buff读数据");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

class Writer extends Thread {

    private IBuffer buff;

    public Writer(IBuffer buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {
        buff.write();
    }

}

class Reader extends Thread {

    private IBuffer buff;

    public Reader(IBuffer buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {

        try {
            buff.read();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("[Reader线程]我不读了");
        }

        System.out.println("[Reader线程]读结束");

    }
}

结果：

[Writer线程]开始往这个buff写入数据…
[主线程]调用reader.interrupt()发出“的尝试中断消息”，让Reader线程不再等了
[Reader线程]我不读了
[Reader线程]读结束

可重入概念

若一个程序或子程序可以“安全的被并行执行(Parallel computing)”，则称其为可重入（reentrant或re-entrant）的。即当该子程序正在运行时，可以再次进入并执行它（并行执行时，个别的执行结果，都符合设计时的预期）。可重入概念是在单线程操作系统的时代提出的。