第3章 JDK并发包（一）

3.1 多线程的团队协作：同步控制

3.1.1 synchronized的功能扩展：重入锁

• 重入锁可以完全替代synchronized关键字。
• 重入锁使用java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类来实现。下面是一段最简单的重入锁使用案例：

public class ReenterLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static int i = 0;
    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            lock.lock();
            try {
                i++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReenterLock tl = new ReenterLock();
        Thread t1 = new Thread(tl);
        Thread t2 = new Thread(tl);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

• 上述代码，使用重入锁保护临界区资源i，确保多线程对i操作的安全性。从这段代码可以看到，与synchronized相比，重入锁有着明显的操作过程。开发人员必须手动指定何时加载，何时释放锁。也正因为这样，重入锁对逻辑控制的灵活性要远远好于synchronized。在退出临界区时，必须记得释放锁，否则，其他线程就没有机会再访问临界区了。
• 重入锁是可以反复进入的。当然，这里的反复仅仅局限于一个线程。上述代码可以写成下面的形式：

lock.lock();
lock.lock();
try {
    i++;
} finally {
    lock.unlock();
    lock.unlock();
}

• 在这种情况下，一个线程连续两次获得同一锁。这是允许的！如果不允许这么操作，那么同一个线程在第2次获得锁时，将会和自己产生死锁。程序就会“卡死”在第2次申请锁的过程中。但需要注意的是，如 果同一个线程多次获得锁，那么在释放锁的时候，也必须释放相同的次数。如果释放锁的次数多，那么会得到一个java.lang.IllegalMonitorStateException异常，反之，如果释放锁的次数少了，那么相当于线程还持有这个锁，因此，其他线程也无法进入临界区。
• 重入锁可以提供中断处理的能力。
• 中断响应
• 对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种情况，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保持等待。而使用重入锁，则提供另一种可能，那就是线程可以被中断。也就是在等待 锁的过程中，程序可以根据需要取消对锁的请求。
• 下面的代码产生了一个死锁，但得益于锁中断，我们可以很轻易地解决这个死锁。

public class IntLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;
    //控制加锁顺序，方便构造死锁
    public IntLock(int lock) {
        this.lock = lock;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            if (lock == 1) {
                lock1.lockInterruptibly();
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedExcepiton e) {}
                lock2.lockInterruptibly();
            } else {
                lock2.lockInterruptibly();
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {}
                lock1.lockInterruptibly();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStaceTrace();
        } finally {
            if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                lock1.unlock();
            }
            if (loc2.isHeldByCurrentThread()) {
                lock2.unlock();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":线程退出");
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IntLock r1 = new IntLock(1);
        IntLock r2 = new IntLock(2);
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();t2.start();
        Thread.sleep(1000);
        //中断其中一个线程
        t2.interrupt();
    }
}

• 线程t1和t2启动后，t1先占用lock1，再占用lock2；t2先占用lock2，再请求lock1.因此，很容易形成t1和t2之间的相互等待。在这里，对锁的请求，统一使用lockInterruptibly()方法。这是一个可以对中断进行响应的锁申请动作，即在等待锁的过程中，可以响 应中断。
  

• 锁申请等待限时

• 除了等待外部通知之外，要避免死锁还有另外一种方法，那就是限时等待。给定一个等待时间，让线程自动放弃。可以使用tryLock()方法进行一次限时的等待。

public class TimeLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        try {
            //超过5秒还没得到锁，返回false
            if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                Thread.sleep(6000);
            } else {
                System.out.println("get lock failed");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        TimeLock t1 = new TimeLock();
        Thread t1 = new Thread(tl);
        Thread t2 = new Thread(tl);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

• tryLock()方法接收两个参数，一个表示等待时长，另外一个表示计时单位。
• ReentrantLock.tryLock()方法也可以不带参数直接运行。在这种情况下，如果锁被其他线程占用，则当前线程不会进行等待，而是立即返回false。这种模式不会引起线程等待，因此也不会产生死锁。下面演示了这种使用方式：

public class TryLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;
    
    public TryLock(int lock) {
        this.lock = lock;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        if (lock == 1) {
            while (true) {
                if (lock1.tryLock()) {
                    try {
                        try {
                            Thread.sleep(500);
                        } catch (InterruptedException e) {}
                        if (lock2.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":My Job done");
                                return;
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                }
            }
        } else {
            while (true) {
                if (lock2.tryLock()) {
                    try {
                        try {
                            Thread.sleep(500);
                        } catch (InterruptedException e) {}
                        if (lock1.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":My Job done");
                                return;
                            } finally {
                                lock1.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock2.unlock();
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TryLock r1 = new TryLock(1);
        TryLock r2 = new TryLock(2);
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

• 上述代码中，采用了非常容易死锁的加锁顺序。也就是先让t1获得lock1，再让t2获得lock2，接着做反向请求，让t1申请lock2,t2申请lock1.在一般情况下，这会导致t1和t2互相等待，从而引起死锁。

• 但使用tryLock()后，线程不会傻傻地等待，而是不停地尝试，因此，只要执行足够长的时间，线程总是会得到所有需要的资源，从而正常执行。

• 公平锁

• 在大多数情况下，锁的申请都是非公平的。系统只是会从这个锁的等待队列中随机挑选一个。

• 公平锁的一大特点是：它不会产生饥饿现象。

• 如果我们使用synchronized关键字进行锁控制，那么产生的锁就是非公平的。而重入锁允许我们对其公平性进行设置。它有一个如下的构造函数：

public ReentrantLock(boolean fair)

• 参数为true时，表示锁是公平的。实现公平锁要求系统维护一个有序队列，因此实现成本比较高，性能也相对低下。因此默认情况下，锁是非公平的。

public class FairLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); //指定锁是公平的
    
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                fairLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得锁");
            } finally {
                fairLock.unlock();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        FairLock r1 = new FairLock();
        Thread t1 = new Thread(r1, "Thread_t1");
        Thread t2 = new Thread(r1, "Thread_t2");
        t1.start();t2.start();
    }
}

Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁

• 从输出结果来看，两个线程基本上是交替获得锁的。
• 下面是使用非公平锁时的部分输出：

Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁

• 可以看到，根据系统的调度，一个线程会倾向于再次获取已经持有的锁，这种分配方式是高效的，但是无公平性可言。
• 对上面ReentrantLock的几个重要方法整理如下。
  • lock()：获得锁，如果锁已经被占用，则等待。
  • lockInterruptibly()：获得锁，但优先响应中断。
  • tryLock()：尝试获得锁，如果成功，返回true，失败返回false。该方法不等待，立即返回。
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)：在给定时间内尝试获得锁。
  • unlock()：释放锁
• 就重入锁的实现来看，它主要集中在Java层面。在重入锁的实现中，主要包含三个要素：
  • 第一，是原子状态。原子状态使用CAS操作来存储当前锁的状态，判定锁是否已经被别的线程持有。
  • 第二，是等待队列。所有没有请求到锁的线程，会进入等待队列进行等待。待有线程释放锁后，系统就能从等待队列中唤醒一个线程，继续工作。
  • 第三，是阻塞语句park()和unpark()，用来挂起和恢复线程。没有得到锁的线程将会被挂起。