12.Lock

之前在使用synchronized解决线程安全问题时，经常提到用lock也可以实现synchronized的功能，现在我们就来看看lock的使用。

本篇文章少部分内容引用了Java并发编程：Lock，文章的作者15年毕业，这是他14年写的文章，再想想自己14年的水平，汗颜的同时，也为当时没有人提携指引深感遗憾，后面有空了，打算写写这几年的感悟和认识，对自己做一个总结，与君共勉吧。感慨结束，进入正题。

1.ReentrantLock

1.1ReentrantLock实现同步

Lock是一个接口，它有一个重要的实现类ReentrantLock，通过lock方法来进行加锁，reentrantLock.lock()实际上就相当于synchronized(reentrantLock)，“锁”即为reentrantLock对象，也可以实现多线程的同步。我们来看对于之前的购票例子如何使用reentrantLock实现线程安全。

public class Ticket {
    public int total = 5;
    public ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    
    public void buy() throws InterruptedException{
        try{
            reentrantLock.lock();
            
            if(total > 0){
                //模拟买票过程
                Thread.sleep(100);
                --total;
            }   
        }finally{
            reentrantLock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Ticket ticket = new Ticket();
        TicketThread ticketThread = new TicketThread(ticket);
        //10个人抢5张票
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(ticketThread).start();
        }
        //确保所有线程都执行完了
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("剩余："+ticket.total);
    }
}

public class TicketThread implements Runnable{
    Ticket ticket = null;
    public TicketThread(Ticket ticket) {
        this.ticket = ticket;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            ticket.buy();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以看到，在使用ReentrantLock的时候，需要自己手动调用lock()/unlock()方法，来实现加锁/释放锁，一般会把unlock放到finally中执行，避免因程序异常，导致锁一直无法释放。

1.2ReentrantLock之Condition实现等待/通知

之前我们有提到线程间通信的一种方式wait/notify，ReentrantLock可以通过Condition来实现类似的功能，相比之前的wait/notify，这种方式更加灵活，来看实际的例子。
MyMethod类定义了一个ReentrantLock对象，从中获取两个condition，method将会执行5次输出，在执行到第3次的时候，调用await()，阻塞当前线程，等待唤醒后，才能继续执行后2次输出。在main方法中，我们指定唤醒线程1。最终线程1可以进行5次输出，线程2执行三次输出后，由于未被唤醒，一直阻塞在那里。

public class MyMethod {
    //可重入锁 与synchronized(reentrantLock1)效果一致
    ReentrantLock reentrantLock1 = new ReentrantLock();
    
    //Condition实现wait/notify机制
    Condition condition1 = reentrantLock1.newCondition();
    Condition condition2 = reentrantLock1.newCondition();
    
    public void method1() throws InterruptedException{
        try{
            reentrantLock1.lock();
            for(int i = 0;i < 5;i++){
                if(i == 3){
                    condition1.await();
                }
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"调用method1()");
            }   
        }finally{
            reentrantLock1.unlock();
        }
        
    }
    
    public void method2() throws InterruptedException{
        try{
            //注意这里得使用reentrantLock1，即和method1用的同一个锁，才能实现同步
            reentrantLock1.lock();
            for(int i = 0;i < 5;i++){
                if(i == 3){
                    condition2.await();
                }
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"调用method2()");
            }
        }finally{
            reentrantLock1.unlock();
        }
    }
    
    public void signal1(){
        try{
            reentrantLock1.lock();
            condition1.signalAll();
        }finally{
            reentrantLock1.unlock();
        }
    }
}

public class MyThread1 extends Thread{
    MyMethod myMethod = null;
    public MyThread1(MyMethod myMethod) {
        this.myMethod = myMethod;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            myMethod.method1();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class MyThread2 extends Thread{
    MyMethod myMethod = null;
    public MyThread2(MyMethod myMethod) {
        this.myMethod = myMethod;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            myMethod.method2();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyMethod myMethod = new MyMethod();
        
        MyThread1 myThread1 = new MyThread1(myMethod);
        myThread1.setName("myThread1");
        MyThread2 myThread2 = new MyThread2(myMethod);
        myThread2.setName("myThread2");
        
        myThread1.start();
        myThread2.start();
        
        Thread.sleep(5000);
        //这里只通知线程1
        myMethod.signal1();
    }
}

最终执行结果：

myThread1调用method1()
myThread1调用method1()
myThread1调用method1()
myThread2调用method2()
myThread2调用method2()
myThread2调用method2()
myThread1调用method1()
myThread1调用method1()

通过这个例子，我们可以看到Lock的Condition可以实现唤醒指定线程。而如果使用notify，唤醒哪个线程是随机的，完全取决于JVM。如果有兴趣，可以把上面的例子改成wait/notify实现，你会对这两者的区别有更清楚的认识。

1.3ReentrantLock其他特性

  1. 指定公平锁还是非公平锁
    ReentrantLock的构造方法可以传入一个boolean类型的参数，true即为公平锁，false即为非公平锁，默认为false。

public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁表示线程获得锁的顺序是按照加锁的顺序来分配的，就像食堂打饭要排队，先来先得。非公平锁则是一种抢占机制，可能造成某些线程一直拿不到锁，就像早高峰一起挤公交，有人可能过了好几趟车，也没挤上去。

  1. 获得锁的状态
  • getHoldCount()，获得当前线程保持此锁的个数，即调用lock()的次数。未调用lock()时，为0，调用lock()，为1，调用unlock()，为0。
  • getQueueLength，获得等待该锁的线程个数。假设有5个线程都start()，线程1执行了lock()，一直未执行unlock()，此时其他四个线程都在等着线程1释放该锁，getQueueLength将会返回4。
  • hasQueuedThread(Thread thread)，查询指定线程是否在等待该锁
  • hasQueuedThreads()，查询是否有线程在等待该锁
  • isFair()，判断该锁是否为公平锁
  • isHeldByCurrentThread()，查询当前线程是否持有该锁
  • isLocked()，查询是否有线程持有该锁
  • tryLock()，尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回，在拿不到锁时不会一直在那等待
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)，与tryLock()类似，区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false；如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true
  1. 响应中断
    假设有这样一个场景，线程1获得锁，但在执行较为耗时的操作，此时线程2只能干等着，但我现在不想让线程2等了，我要中断线程2，如果使用synchronized关键字，线程2是无法中断的；如果使用reentrantLock.lockInterruptibly()则可以中断线程2。
    lockInterruptibly的作用为，如果当前线程未被中断，则获取锁，如果被中断，则抛出异常。
    来看代码示例：
    synchronized无法响应中断
public class TestSynchronized {
    public static void test() throws InterruptedException{
        synchronized(TestSynchronized.class){
            System.out.println(Thread.currentThread());
            Thread.sleep(10000);
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //线程一 持有锁，并保持10s
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    TestSynchronized.test();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        
        //由于锁被线程一持有，线程二进入阻塞状态
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    TestSynchronized.test();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
        
        //1s后，尝试中断线程二，发现线程二无法响应中断，必须等够10s
        Thread.sleep(1000);
        thread.interrupt();
    }
}

ReentrantLock能够响应中断

public class TestReentrantLock {
    public static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    
    public static void test() throws InterruptedException{
        reentrantLock.lockInterruptibly();
        
        System.out.println(Thread.currentThread());
        Thread.sleep(10000);
        
        reentrantLock.unlock();
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //线程一 得到锁，并占用10s
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    TestReentrantLock.test();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        
        //线程二 因为锁被线程一持有，进入阻塞状态
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    TestReentrantLock.test();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
        
        //1s后，尝试中断线程2，发现能够正常中断
        Thread.sleep(1000);
        thread.interrupt();
    }
}

2.ReentrantReadWriteLock

假设有这样一个场景，线程1和线程2都需要读写某一文件，为了保证线程安全，我们可以使用synchronized关键字或ReentrantLock，通过加锁来保证线程安全，即读读互斥，读写互斥，写读互斥，写写互斥。但实际上对于1 2两个线程同时读取的操作，是不会出现线程安全问题的，加锁反而影响效率。我们可以使用ReentrantReadWriteLock，来实现读读共享，读写互斥，写读互斥，写写互斥的效果。

代码示例：

public class ReadWriteService {
    ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    
    public void read() throws InterruptedException{
        try{
            readWriteLock.readLock().lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到读锁"+System.currentTimeMillis());
            Thread.sleep(1000);
        }finally{
            readWriteLock.readLock().unlock();
        }
    }
    
    public void write() throws InterruptedException{
        try{
            readWriteLock.writeLock().lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到写锁"+System.currentTimeMillis());
            Thread.sleep(1000);
        }finally{
            readWriteLock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

public class ReadThread extends Thread{
    ReadWriteService service = null;
    
    public ReadThread(ReadWriteService service) {
        this.service = service;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            service.read();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class WriteThread extends Thread{
    ReadWriteService service = null;
    
    public WriteThread(ReadWriteService service) {
        this.service = service;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            service.write();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReadWriteService service = new ReadWriteService();
        
        ReadThread readThread1 = new ReadThread(service);
        readThread1.setName("readThread1");
        ReadThread readThread2 = new ReadThread(service);
        readThread2.setName("readThread2");
        
        WriteThread writeThread1 = new WriteThread(service);
        writeThread1.setName("writeThread1");
        WriteThread writeThread2 = new WriteThread(service);
        writeThread2.setName("writeThread2");
        
        //读读共享
        /*readThread1.start();
         Thread.sleep(100);
        readThread2.start();*/
        
        //读写互斥
        /*readThread1.start();
        Thread.sleep(10);
        writeThread1.start();*/
        
        //写读互斥
        /*writeThread1.start();
        Thread.sleep(10);
        readThread1.start();*/
        
        //写写互斥
        writeThread1.start();
        Thread.sleep(10);
        writeThread2.start();
    }
}

3.synchronized与Lock的对比

通过上面的介绍，我们可以总结一下这两种锁的区别：

1）Lock是一个接口，通过Java代码来实现锁，而synchronized是Java中的关键字，是内置的实现；
2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行；
4）Lock提供了对锁的更多操作，比如可以指定公平锁还是非公平锁，获得锁的状态，是否成功获得了锁等；
5）ReentrantLock的Condition可以实现更灵活的wait/notify机制
6）ReentrantReadWriteLock可以提高多个线程进行读操作的效率

两者如何选用：
一般场景使用synchronized就够了，因为它更简单易用，而且经过不断优化，它的性能也已经得到了很大改善。建议复杂场景或者有更高级的要求的时候，再考虑使用lock，而且在使用时，一定要好好研究清楚了再用，否则到时候出现问题是很难排查的。

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