Java多线程核心技术(四)Lock的使用

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本文主要介绍使用Java5中Lock对象也能实现同步的效果，而且在使用上更加方便。

本文着重掌握如下2个知识点：

1. ReentrantLock 类的使用。
2. ReentrantReadWriteLock 类的使用。

1. 使用ReentrantLock 类

在Java多线程中，可以使用 synchronized 关键字来实现线程之间同步互斥，但在JDK1.5中新增加了 ReentrantLock 类也能达到同样的效果，并且在扩展功能上也更加强大，比如具有嗅探锁定、多路分支通知等功能，而且在使用上也比 synchronized 更加的灵活。

1.1 使用ReentrantLock实现同步

调用ReentrantLock对象的lock()方法获取锁，调用unlock()方法释放锁。

下面是初步的程序示例：

public class Demo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void test(){
        lock.lock();
        for (int i= 0;i<5;i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" - "+i);
        }
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo =  new Demo();
        for (int i = 0;i<5;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.test();
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果：

Thread-0 - 0
Thread-0 - 1
Thread-0 - 2
Thread-0 - 3
Thread-0 - 4
Thread-1 - 0
Thread-1 - 1
Thread-1 - 2
Thread-1 - 3
Thread-1 - 4
Thread-2 - 0
Thread-2 - 1
Thread-2 - 2
Thread-2 - 3
Thread-2 - 4
Thread-3 - 0
Thread-3 - 1
Thread-3 - 2
Thread-3 - 3
Thread-3 - 4
Thread-4 - 0
Thread-4 - 1
Thread-4 - 2
Thread-4 - 3
Thread-4 - 4

从运行的结果来看，当前线程打印完毕后将锁进行释放，其他线程才可以继续打印。

1.1.2 锁住类的所有实例对象

上面的示例是所有线程调用一个ReentrantLock实例对象实现同步，如果每个线程都调用各自ReentrantLock实例对象的同一段代码呢？

示例代码：

public class MyService implements Runnable{
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method(){
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"锁定...");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"解锁。");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new MyService()).start();
        new Thread(new MyService()).start();
        new Thread(new MyService()).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        method();
    }
}

运行结果：

Thread-0锁定...
Thread-2锁定...
Thread-1锁定...
Thread-2解锁。
Thread-0解锁。
Thread-1解锁。

从运行结果来看，并没有实现想要的方法同步的效果。如果我们想要实现类似synchronized(class)，也就是给Class类上锁，可以把 ReentrantLock 声明为 static 静态变量。

示例代码：

public class MyService implements Runnable{
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method(){
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"锁定...");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"解锁。");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new MyService()).start();
        new Thread(new MyService()).start();
        new Thread(new MyService()).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        method();
    }
}

运行结果：

Thread-0锁定...
Thread-0解锁。
Thread-1锁定...
Thread-1解锁。
Thread-2锁定...
Thread-2解锁。

从运行结果来看，成功实现了预期的结果。

1.2 使用Condition 实现等待 / 通知

关键字 synchronized 与 wait() 和 notify() / notifyAll() 方法相结合可以实现等待 / 通知模式，类 ReentrantLock 也可以实现同样的功能，但需要借助于 Condition（即对象监视器）实例，线程对象可以注册在指定的 Condition 中，从而可以有选择性地进行线程通知，在调度线程上更加灵活。

在使用 notify() / notifyAll() 方法进行通知时，被通知的线程却是由JVM随机选择的。但使用 ReentrantLock 结合 Condition 类是可以实现前面介绍过的“选择性通知”，这个功能是非常重要的，而且在 Condition 类中是默认提供的。

示例代码：

public class Demo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void await() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("开始等待：" + System.currentTimeMillis());
            condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signal() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("结束等待：" + System.currentTimeMillis());
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Demo demo = new Demo();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                demo.await();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(3000);
        demo.signal();
    }
}

运行结果：

开始等待：1537352883839
结束等待：1537352886839

成功实现等待 / 通知模式。

在Object中，有wait() 、wait(long)、notify()、notifyAll()方法。

在Condition类中，有 await()、await(long)、signal()、signalAll()方法。

1.3使用多个Condition实现通知部分线程

示例代码：

public class Demo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition conditionA = lock.newCondition();
    private Condition conditionB = lock.newCondition();

    public void awaitA() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("A开始等待：" + System.currentTimeMillis());
            conditionA.await();
            System.out.println("A结束等待：" + System.currentTimeMillis());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void awaitB() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("B开始等待：" + System.currentTimeMillis());
            conditionB.await();
            System.out.println("B结束等待：" + System.currentTimeMillis());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signalAll_B() {
        try {
            lock.lock();
            conditionB.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Demo demo = new Demo();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                demo.awaitA();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                demo.awaitB();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(3000);
        demo.signalAll_B();
    }
}

运行结果：

A开始等待：1537354021740
B开始等待：1537354021741
B结束等待：1537354024738

可以看到，只有B线程被唤醒了。

通过此实验可知，使用 ReentrantLock 对象可以唤醒指定种类的线程，这是控制部分线程行为的方便行为。

1.4 公平锁和非公平锁

锁Lock分为”公平锁“和“非公平锁”，公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程加载的顺序来分配的，即先来先得的FIFO先进先出顺序。而非公平锁就是一种获取锁的抢占机制，是随机获得锁的，和公平锁不一样的就是先来的不一定先得到锁，这个方式可能造成某些线程一直拿不到锁，结果也就是不公平的了。

设置公平锁：

Lock lock = new ReentrantLock(true);

使用ReentrantLock类设置公平锁只需要在构造时传入boolean参数即可。默认false。需要明白的是，即使设置为true也不能保证百分百公平。

总结：

公平锁：先去判断等待队列是否为空，也就是是否有线程在等待，没有就去获取锁，否则把自己加入等待队列。

非公平锁：先去尝试获取锁，如果失败再加入到等待队列。

1.5 方法getHoldCount()、getQueryLength()和getWaitQueryLength()

1.方法getHoldCount() 的作用是查询当前线程保持此锁定的个数，也就是调用 lock() 方法的次数。

示例代码：

public class Service {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("getHoldCount() " + lock.getHoldCount());
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void method2() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("getHoldCount() " + lock.getHoldCount());
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        service.method();
    }

}

运行结果：

getHoldCount() 1
getHoldCount() 2

2.方法getQueryLength() 的作用是返回正等待获取此锁定的线程估计数。比如有5个方法，1个线程首先执行 await()方法，那么在调用getQueueLength()方法后返回值是4，说明有4个线程同时在等待 lock 的释放。

示例代码：

public class Service {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void method() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("Name: " + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Service service = new Service();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                service.method();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        Thread.sleep(1000);
        ReentrantLock lock = service.getLock();
        System.out.println("有多少线程在等待："+lock.getQueueLength());
    }

    private ReentrantLock getLock() {
        return lock;
    }

}

运行结果：

Name: Thread-1
有多少线程在等待：4

3.方法getWaitQueryLength(condition) 的作用是返回等待与此锁定相关的给定条件Condition的线程估计数，比如有5个线程，每个线程都执行了同一个condition 对象的await() 方法，则调用 getWaitQueryLength(condition) 方法时返回的int值是5。

示例代码：

public class Service {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void method() {
        try {
            lock.lock();
            condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void notifyMethod() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("等待condition的线程数" + lock.getWaitQueueLength(condition));
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Service service = new Service();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                service.method();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        Thread.sleep(1000);
        service.notifyMethod();
    }
    
}

运行结果：

等待condition的线程数5

1.6 方法hasQueuedThread()、hasQueuedThreads()和hasWaiters()

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1.方法 boolean hasQueuedThread(Thread thread) 的作用是查询指定的线程是否正在等待获取此锁定。

2.方法 boolean hasQueuedThreads() 的作用是查询是否有线程正在等待获取此锁定。

1、2示例代码：

public class Service {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void waitMethod(){
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public ReentrantLock getLock(){
        return lock;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Service service = new Service();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                service.waitMethod();
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        ReentrantLock lock = service.getLock();
        System.out.println(lock.hasQueuedThreads());
        System.out.println(lock.hasQueuedThread(thread1));
        System.out.println(lock.hasQueuedThread(thread2));
    }

}

运行结果：

true
false
true

3.方法 boolean hasWaiters(Condition condition) 的作用是查询是否有线程正在等待与此锁定有关的 condition 条件。

示例代码：

public class Service {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void waitMethod(){
        try {
            lock.lock();
            condition.await();
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void notifyMethod(){
        try {
            lock.lock();
            System.out.println("有没有线程正在等待 condition ?" + lock.hasWaiters(condition) + " 线程数是多少？" + lock.getWaitQueueLength(condition));
            condition.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Service service = new Service();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                service.waitMethod();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        Thread.sleep(2000);
        service.notifyMethod();
    }

}

运行结果：

有没有线程正在等待 condition ?true 线程数是多少？10

1.7 方法isFair()、isHeldByCurrentThread()和isLocked()

1. 方法boolean isFair() 的作用是判断是不是公平锁。
2. 方法boolean isHeldByCurrentThread() 的作用是查询当前线程是否保持此锁定。
3. 方法boolean isLocked() 的作用是查询此锁定是否由任意线程保持。

更改上面的部分代码：

System.out.println(lock.isHeldByCurrentThread());
System.out.println(lock.isLocked());
lock.lock();
System.out.println(lock.isLocked());
System.out.println(lock.isHeldByCurrentThread());

运行结果：

false
false
true
true

1.8 方法lockInterruptibly()、tryLock()和tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

下面的三个方法都是对lock.lock()方法的另一种变形：

1. 方法void lockInterruptibly()的作用是：如果当前线程未被中断，则获取锁定，如果已经被中断则出现异常。

   而使用 lock() 方法，即使线程被中断（调用thread.interrupt()方法），也不会出现异常。

2. 方法boolean tryLock() 的作用是，仅在未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁定。

   假设有两个线程同时调用同一个lock对象的tryLock()方法，那么除了第一个获得锁（返回true），其它都获取不到锁（返回false）。

3. 方法 boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 的作用是，如果锁定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，则获取该锁定。

1.9 方法 condition.awaitUninterruptibly()的使用

前面讲到，执行condition.await()方法后，线程进入等待状态，如果这时线程被中断（调用thread.interrupt()方法）则会抛出异常。而使用 condition.awaitUninterruptibly() 方法代替 condition.await() 方法则不会抛出异常。

1.10 方法 condition.awaitUntil(Date deadline)的使用

使用方法 condition.awaitUntil(Date deadline) 可以代替 await(long time, TimeUnit unit) 方法进行线程等待，该方法在等待时间到达前是可以被提前唤醒的。

1.11 使用Condition实现顺序执行

使用Condition对象可以对线程执行的业务进行排序规划。

示例代码：

public class DThread{
    volatile private static int nextPrintWho = 1;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    final private static Condition conditionA = lock.newCondition();
    final private static Condition conditionB = lock.newCondition();
    final private static Condition conditionC = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) {
        Thread threadA = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 1){
                        conditionA.await();
                    }
                    for (int i = 0;i<3;i++){
                        System.out.println("ThreadA "+(i+1));
                    }
                    nextPrintWho = 2;
                    conditionB.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        };
        Thread threadB = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 2){
                        conditionA.await();
                    }
                    for (int i = 0;i<3;i++){
                        System.out.println("ThreadB "+(i+1));
                    }
                    nextPrintWho = 3;
                    conditionB.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        };
        Thread threadC = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock.lock();
                    while (nextPrintWho != 3){
                        conditionA.await();
                    }
                    for (int i = 0;i<3;i++){
                        System.out.println("ThreadC "+(i+1));
                    }
                    nextPrintWho = 1;
                    conditionB.signalAll();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        };
        for (int i= 0;i<5;i++){
            new Thread(threadA).start();
            new Thread(threadB).start();
            new Thread(threadC).start();
        }
    }

}

打印结果：

ThreadA 1
ThreadA 2
ThreadA 3
ThreadB 1
ThreadB 2
ThreadB 3
ThreadC 1
ThreadC 2
ThreadC 3
....

2.使用ReentrantReadWriteLock类

类 ReentrantLock 具有完全互斥排他的效果，即同一时间只有一个线程在执行ReentrantLock.lock() 方法后面的任务。这样做虽然保证了实例变量的线程安全性，但效率却是非常低下的。所以在JDK中提供了一种读写锁 ReentrantReadWriteLock 类，使用它可以加快运行效率，在某些不需要操作实例变量的方法中，完全可以使用读写 ReentrantReadWriteLock 来提升该方法的代码运行速度。
读写锁表示也有两个锁，一个是读操作相关的锁，也称为共享锁；另一个是写操作相关的锁，也叫排他锁。也就是多个读锁之间不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥。在没有线程 Thread进行写入操作时，进行读取操作的多个 Thread 都可以获取读锁，而进行写入操作的 Thread 只有在获取写锁后才能进行写入操作。即多个 Thread可以同时进行读取操作但是同一时刻只允许一个 Thread 进行写入操作。

总结起来就是：读读共享，写写互斥，读写互斥，写读互斥。

声明读写锁：

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

获取读锁：

lock.readLock().lock();

获取写锁：

lock.writeLock().lock();

3.文末总结

学习完本文完全可以使用Lock对象将 synchronized关键字替换掉，而且其具有的独特功能也是 synchronized 所不具有的。在学习并发时，Lock是synchronized关键字的进阶，掌握Lock有助于学习并发包中源代码的实现原理，在并发包中大量的类使用了Lock 接口作为同步的处理方式。

参考

《Java多线程编程核心技术》高洪岩著

扩展

Java多线程编程核心技术(一)Java多线程技能

Java多线程编程核心技术(二)对象及变量的并发访问

Java多线程编程核心技术(三)多线程通信

Java多线程核心技术(五)单例模式与多线程

Java多线程核心技术(六)线程组与线程异常

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