Java基礎23-初識Lock

概述

在前面的文章中我們講到了如何使用關鍵字synchronized來實現(xiàn)同步訪問。本文我們繼續(xù)來探討這個問題，從Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一種方式來實現(xiàn)同步訪問，那就是Lock。

synchronized的缺陷

既然都可以通過synchronized來實現(xiàn)同步訪問了，那么為什么還需要提供Lock？

在上面一篇文章中，我們了解到如果一個代碼塊被synchronized修飾了，當一個線程獲取了對應的鎖，并執(zhí)行該代碼塊時，其他線程便只能一直等待，等待獲取鎖的線程釋放鎖，而這里獲取鎖的線程釋放鎖只會有兩種情況：

  • 獲取鎖的線程執(zhí)行完了該代碼塊，然后線程釋放對鎖的占有；
  • 線程執(zhí)行發(fā)生異常，此時JVM會讓線程自動釋放鎖。

那么如果這個獲取鎖的線程由于要等待IO或者其他原因（比如調(diào)用sleep方法）被阻塞了，但是又沒有釋放鎖，其他線程便只能干巴巴地等待，這將影響程序執(zhí)行效率。

因此就需要有一種機制可以不讓等待的線程一直無期限地等待下去（比如只等待一定的時間或者能夠響應中斷），通過Lock就可以辦到。

再舉個例子：當有多個線程讀寫文件時，讀操作和寫操作會發(fā)生沖突現(xiàn)象，寫操作和寫操作會發(fā)生沖突現(xiàn)象，但是讀操作和讀操作不會發(fā)生沖突現(xiàn)象。

但是采用synchronized關鍵字來實現(xiàn)同步的話，就會導致一個問題：如果多個線程都只是進行讀操作，所以當一個線程在進行讀操作時，其他線程只能等待無法進行讀操作。

因此就需要一種機制來使得多個線程都只是進行讀操作時，線程之間不會發(fā)生沖突，同樣通過Lock就可以辦到。

另外，通過Lock可以知道線程有沒有成功獲取到鎖。這個是synchronized無法辦到的。

Lock和synchronized的不同：

  • Lock不是Java語言內(nèi)置的，synchronized是Java語言的關鍵字，因此是內(nèi)置特性。Lock是一個類，通過這個類可以實現(xiàn)同步訪問；
  • Lock和synchronized有一點非常大的不同，采用synchronized不需要用戶去手動釋放鎖，當synchronized方法或者synchronized代碼塊執(zhí)行完之后，系統(tǒng)會自動讓線程釋放對鎖的占用；而Lock則必須要用戶去手動釋放鎖，如果沒有主動釋放鎖，就有可能導致出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。

認識Lock

Lock位于java.util.concurrent.locks包下，它是一個接口：

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

在Lock中聲明了四個方法來獲取鎖，那么這四個方法有何區(qū)別呢？

  • lock()
    lock()方法是平常使用得最多的一個方法，就是用來獲取鎖。如果鎖已被其他線程獲取，則進行等待。
    采用Lock，必須主動去釋放鎖，并且在發(fā)生異常時，不會自動釋放鎖。因此一般來說，使用Lock必須在try{}catch{}塊中進行，并且將釋放鎖的操作放在finally塊中進行，以保證鎖一定被被釋放，防止死鎖的發(fā)生：
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //處理任務
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //釋放鎖
}
  • tryLock()
    tryLock()方法是有返回值的，它表示用來嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則返回true，如果獲取失?。存i已被其他線程獲取），則返回false，也就說這個方法無論如何都會立即返回。在拿不到鎖時不會一直在那等待。
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //處理任務
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //釋放鎖
     } 
}else {
    //如果不能獲取鎖，則直接做其他事情
}
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)
    tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是類似的，只不過區(qū)別在于這個方法在拿不到鎖時會等待一定的時間，在時間期限之內(nèi)如果還拿不到鎖，就返回false。如果如果一開始拿到鎖或者在等待期間內(nèi)拿到了鎖，則返回true。
  • lockInterruptibly()
    lockInterruptibly()方法比較特殊，當通過這個方法去獲取鎖時，如果線程正在等待獲取鎖，則這個線程能夠響應中斷，即中斷線程的等待狀態(tài)。也就使說，當兩個線程同時通過lock.lockInterruptibly()想獲取某個鎖時，假若此時線程A獲取到了鎖，而線程B只有在等待，那么對線程B調(diào)用threadB.interrupt()方法能夠中斷線程B的等待過程。
    由于lockInterruptibly()的聲明中拋出了異常，所以lock.lockInterruptibly()必須放在try塊中或者在調(diào)用lockInterruptibly()的方法外聲明拋出InterruptedException。
public void method() throws InterruptedException {
    Lock lock = ...;
    lock.lockInterruptibly();
    try {  
     //.....
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }  
}

注意：當一個線程獲取了鎖之后，是不會被interrupt()方法中斷的。單獨調(diào)用interrupt()方法不能中斷正在運行過程中的線程，只能中斷阻塞過程中的線程。

因此當通過lockInterruptibly()方法獲取某個鎖時，如果不能獲取到進行等待的情況下，是可以響應中斷的。

而用synchronized修飾的話，當一個線程處于等待某個鎖的狀態(tài)，是無法被中斷的，只有一直等待下去。

ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入鎖”，ReentrantLock是唯一實現(xiàn)了Lock接口的類，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通過一些實例看具體看一下如何使用ReentrantLock。

lock()的正確使用方法

先看以下代碼示例：

public class Test {
    
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();
    }

    public void insert(Thread thread) {
        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了鎖");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + "釋放了鎖");
            lock.unlock();
        }
    }
}

運行結(jié)果：

Thread-0得到了鎖
Thread-1得到了鎖
Thread-0釋放了鎖
Thread-1釋放了鎖

怎么會輸出這個結(jié)果？第二個線程怎么會在第一個線程釋放鎖之前得到了鎖？
原因在于，在insert方法中的lock變量是局部變量，每個線程執(zhí)行該方法時都會保存一個副本，那么理所當然每個線程執(zhí)行到lock.lock()處獲取的是不同的鎖，所以就不會發(fā)生沖突。

正確的使用方式如下：

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();
    }

    public void insert(Thread thread) {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了鎖");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + "釋放了鎖");
            lock.unlock();
        }
    }
}

程序運行結(jié)果：

Thread-0得到了鎖
Thread-0釋放了鎖
Thread-1得到了鎖
Thread-1釋放了鎖

tryLock()的使用方法

public class Test {
    
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意這個地方

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            }
        }.start();
    }

    public void insert(Thread thread) {
        if (lock.tryLock()) {
            try {
                System.out.println(thread.getName() + "得到了鎖");
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            } finally {
                System.out.println(thread.getName() + "釋放了鎖");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName() + "獲取鎖失敗");
        }
    }
}

lockInterruptibly()響應中斷的使用方法

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

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        MyThread thread1 = new MyThread(test);
        MyThread thread2 = new MyThread(test);
        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread2.interrupt();
    }

    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正確中斷等待鎖的線程，必須將獲取鎖放在外面，然后將InterruptedException拋出
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了鎖");
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            for (; ; ) {
                if (System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                    break;
                //插入數(shù)據(jù)
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "執(zhí)行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName() + "釋放了鎖");
        }
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private Test test = null;

    public MyThread(Test test) {
        this.test = test;
    }

    @Override
    public void run() {

        try {
            test.insert(Thread.currentThread());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被中斷");
        }
    }
}

ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一個接口，在它里面只定義了兩個方法：

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     *
     * @return the lock used for reading
     */
    Lock readLock();

    /**
     * Returns the lock used for writing.
     *
     * @return the lock used for writing
     */
    Lock writeLock();
}

一個用來獲取讀鎖，一個用來獲取寫鎖。也就是說將文件的讀寫操作分開，分成2個鎖來分配給線程，從而使得多個線程可以同時進行讀操作。

下面的ReentrantReadWriteLock實現(xiàn)了ReadWriteLock接口。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock里面提供了很多豐富的方法，不過最主要的有兩個方法：

  • readLock() 用來獲取讀鎖
  • writeLock() 用來獲取寫鎖

下面通過幾個例子來看一下ReentrantReadWriteLock具體用法。
假如有多個線程要同時進行讀操作的話，先看一下synchronized達到的效果：

public class Test {
    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

    }

    public synchronized void get(Thread thread) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        while (System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
            System.out.println(thread.getName() + "正在進行讀操作");
        }
        System.out.println(thread.getName() + "讀操作完畢");
    }
}

這段程序的輸出結(jié)果是：直到thread1執(zhí)行完讀操作之后，才會打印thread2執(zhí)行讀操作的信息。

Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0讀操作完畢
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-1讀操作完畢

該用讀寫鎖：

public class Test {
    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            }
        }.start();

    }

    public void get(Thread thread) {
        rwl.readLock().lock();
        try {
            long start = System.currentTimeMillis();

            while (System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
                System.out.println(thread.getName() + "正在進行讀操作");
            }
            System.out.println(thread.getName() + "讀操作完畢");
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

運行結(jié)果：

Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-0正在進行讀操作
Thread-1正在進行讀操作
Thread-0讀操作完畢
Thread-1讀操作完畢

說明thread1和thread2在同時進行讀操作，這樣就大大提升了讀操作的效率。

注意：

  • 如果有一個線程已經(jīng)占用了讀鎖，則此時其他線程如果要申請寫鎖，則申請寫鎖的線程會一直等待釋放讀鎖。
  • 如果有一個線程已經(jīng)占用了寫鎖，則此時其他線程如果申請寫鎖或者讀鎖，則申請的線程會一直等待釋放寫鎖。

總結(jié)

Lock和synchronized有以下幾點不同：

  • Lock是一個接口，而synchronized是Java中的關鍵字，synchronized是內(nèi)置的語言實現(xiàn)；
  • synchronized在發(fā)生異常時，會自動釋放線程占有的鎖，因此不會導致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而Lock在發(fā)生異常時，如果沒有主動通過unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用Lock時需要在finally塊中釋放鎖；
  • Lock可以讓等待鎖的線程響應中斷，而synchronized卻不行，使用synchronized時，等待的線程會一直等待下去，不能夠響應中斷；
  • 通過Lock可以知道有沒有成功獲取鎖，而synchronized卻無法辦到。
  • Lock可以提高多個線程進行讀操作的效率。

Synchronized

  • 優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，語義清晰，便于JVM堆棧跟蹤；加鎖解鎖過程由JVM自動控制，提供了多種優(yōu)化方案。
  • 缺點：不能進行高級功能（定時，輪詢和可中斷等）。

Lock

  • 優(yōu)點：可定時的、可輪詢的與可中斷的鎖獲取操作，提供了讀寫鎖、公平鎖和非公平鎖
  • 缺點：需手動釋放鎖unlock，不適合JVM進行堆棧跟蹤。

最后再貼一段Doug Lea大神在書中，關于在Synchronized和ReentrantLock之間進行選擇的原話：

在一些內(nèi)置鎖無法滿足需求的情況下，ReentrantLock可以作為一種高級工具。當需要一些高級功能時才應該使用ReentrantLock，這些功能包括：可定時的，可輪詢的與可中斷的鎖獲取操作，公平隊列，以及非塊結(jié)構(gòu)的鎖。否則，還是應該優(yōu)先使用Synchronized

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