Java 多线程(三)- Lock 和 ReentrantLock

Lock

Lock接口定义了一组抽象的加锁操作:

public interface Lock {
    //获取锁,会一直等待
    void lock();    
    //获取锁,否则一直等待,但是等待状态可以被其他线程中断
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    //尝试获得锁,没抢到直接返回失败
    boolean tryLock();      
    //尝试获取锁,没抢到则会等待一段时间,等待状态可以被其他线程中断
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    //释放锁
    void unlock();
    //生成锁的条件变量,线程获取锁后,可以等待或者通知该条件变量
    Condition newCondition();
}

与内置的 Monitor 锁(也叫内部锁内置锁)不同,Lock 提供了多种获取锁的方式(无条件的,可轮询的,定时的以及可中断的),所有的加锁和解锁的方法都是显示的。

Lock 的实现类必须提供与内部锁相同的内存可见性,但在加锁语义,调度算法,顺序保证以及性能特性有所不同。

可重入锁 ReentrantLock

ReentrantLock 实现了 Lock 接口,并提供了与 synchronized 相同的互斥和内存可见性,ReentrantLock 并不是替代内置锁的方法,而是当内置锁机制不适用时,作为一种可以选择的补充的高级功能。

对比 synchronized

ReentrantLock 是 synchronized 的功能补充,它们之间的差异可以用下表表示:

| synchronized | ReentrantLock
------------- | ------------- | -------------
获取锁方式 | 抢锁失败只能无限等待 | 提供多种等待锁方式,可以无限等待
| | 可以限制等待超时
| | 等待时可以被中断
| | 可以无阻塞尝试获取锁
等待线程调度 | 未知,视 JVM 实现 | 公平锁:FIFO,按照进入同步队列顺序
| | 非公平锁:第一次获取锁时有机会插队
编程便利性 | 获取锁/等待锁/释放锁都有内部实现,使用便利 | 需要显示获取锁,释放锁,切记要捕捉 exception, 在 finally 中释放锁
性能 | 略低,Java6 后有显著提高 | 较高,Java6 后差距减小
调试 | 线程转储中给出哪些调用帧获得哪些锁 | Java6 后提供管理和调试接口,锁需要通过该接口注册,相关加锁信息出现在线程转储中

未来更可能提升 synchronized 性能,因为 synchronized 是 JVM 内置属性,它能执行一些优化,比如增加锁的粒度来消除内置锁的同步,对于类库里的 ReentrantLock 则优化余地不大。所以综合未来性能,调试,特别是编程便利性来说,synchronized 是使用时的第一选择,只有当它的功能不满足,或者程序运行在 Java5 或之前,才考虑 ReentrantLock。

公平性

ReentrantLock 的构造函数中提供两个公平性选择:创建一个非公平(默认)的锁,或者公平锁。

公平锁

线程按照他们发出请求的顺序来获得锁。如果有另一个线程持有这个锁或者有其他线程在队列中等待这个锁,那么新发出请求的线程将放入队列中。

但是即便对于公平锁而已,可轮询的 tryLock 仍然会有可能插队。

非公平锁

非公平锁允许“插队”:当一个线程请求非公平的锁时,如果在发出请求的同时该锁的状态变为可用,那么这个线程将跳过排队队列,直接获取这个锁。

只有当锁被某个线程持有时,新发出请求的线程才会被放入队列中。

为什么要将非公平锁作为默认锁,因为在实际应用中,确保被阻塞的线程能够最终获得锁就可以了,绝对的公平产生的开销也较大,绝大多数情况下,非公平锁的性能要高于公平锁。

内部实现

可以把 ReentrantLock 想象成代理模式,其中最核心的加锁/解锁等操作其实都是由 Sync 对象完成的,Sync 的 acquire 系列接口实现加锁, release 系列接口实现解锁。对于公平锁和非公平锁,分别由 FairSync 和 NonfairSync 实现。它们之间的类图关系,如下图所示:

类关系

其中最核心的部分是 AbstractQueuedSynchronizer,简称 AQS。这个类也是其他同步类的基类,AQS 是一个用户构建锁和同步器的框架,许多同步器都可以通过 AQS 快速的构造出来。不仅是 ReentrantLock, 也包括 Semaphore, CountDownLatch, ReentrantReadWriteLock, SynchronouszQueue 和 FurtureTask。

因为篇幅,最核心的 AQS 不妨放到下篇来记录。

最佳编程模式
class X {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...

    public void m() {
        lock.lock();  // block until condition holds
        try {
            // ... method body
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

切记 finally 中释放锁。

内容来源

Java 并发编程实战

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