Java 中 Lock 接口详解

摘要:

我们已经知道,synchronized 是Java的关键字,是Java的内置特性,在JVM层面实现了对临界资源的同步互斥访问,但 synchronized 粒度有些大,在处理实际问题时存在诸多局限性,比如响应中断等。Lock 提供了比 synchronized更广泛的锁操作,它能以更优雅的方式处理线程同步问题。本文以synchronized与Lock的对比为切入点,对Java中的Lock框架的枝干部分进行了详细介绍,最后给出了锁的一些相关概念。  

一. synchronized 的局限性 与 Lock 的优点

如果一个代码块被synchronized关键字修饰,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待直至占有锁的线程释放锁。事实上,占有锁的线程释放锁一般会是以下三种情况之一:
  • 占有锁的线程执行完了该代码块,然后释放对锁的占有;
  • 占有锁线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁;
  • 占有锁线程进入 WAITING 状态从而释放锁,例如在该线程中调用wait()方法等。
synchronized 是Java语言的内置特性,可以轻松实现对临界资源的同步互斥访问。那么,为什么还会出现Lock呢?试考虑以下三种情况: Case 1 : 在使用synchronized关键字的情形下,假如占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,那么其他线程就只能一直等待,别无他法。这会极大影响程序执行效率。因此,就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间 (解决方案:tryLock(long time, TimeUnit unit)) 或者 能够响应中断 (解决方案:lockInterruptibly())),这种情况可以通过 Lock 解决。 Case 2 : 我们知道,当多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作也会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是如果采用synchronized关键字实现同步的话,就会导致一个问题,即当多个线程都只是进行读操作时,也只有一个线程在可以进行读操作,其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。因此,需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突。同样地,Lock也可以解决这种情况 (解决方案:ReentrantReadWriteLock) 。 Case 3 : 我们可以通过Lock得知线程有没有成功获取到锁 (解决方案:ReentrantLock) ,但这个是synchronized无法办到的。 上面提到的三种情形,我们都可以通过Lock来解决,但 synchronized 关键字却无能为力。事实上,Lock 是 java.util.concurrent.locks包 下的接口,Lock 实现提供了比 synchronized 关键字 更广泛的锁操作,它能以更优雅的方式处理线程同步问题。也就是说,Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点: 1)synchronized是Java的关键字,因此是Java的内置特性,是基于JVM层面实现的。而Lock是一个Java接口,是基于JDK层面实现的,通过这个接口可以实现同步访问; 2)采用synchronized方式不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而 Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致死锁现象。  

二. java.util.concurrent.locks包下常用的类与接口

以下是 java.util.concurrent.locks包下主要常用的类与接口的关系:

1、Lock

通过查看Lock的源码可知,Lock 是一个接口:
  1. public interface Lock {
  2.     void lock();
  3.     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  // 可以响应中断
  4.     boolean tryLock();
  5.     boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  // 可以响应中断
  6.     void unlock();
  7.     Condition newCondition();
  8. }
  下面来逐个分析Lock接口中每个方法。lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly()都是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition() 返回 绑定到此 Lock 的新的 Condition 实例 ,用于线程间的协作。 1). lock() 在Lock中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?首先,lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。在前面已经讲到,如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此,一般来说,使用Lock必须在try…catch…块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:
  1. Lock lock = ...;
  2. lock.lock();
  3. try{
  4.     //处理任务
  5. }catch(Exception ex){
  6. }finally{
  7.     lock.unlock();   //释放锁
  8. }
  2). tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit) tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,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,也就是说,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)方法和tryLock()方法是类似的,只不过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,同时可以响应中断。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。 一般情况下,通过tryLock来获取锁时是这样使用的:
  1. Lock lock = ...;
  2. if(lock.tryLock()) {
  3.      try{
  4.          //处理任务
  5.      }catch(Exception ex){
  6.      }finally{
  7.          lock.unlock();   //释放锁
  8.      }
  9. }else {
  10.     //如果不能获取锁,则直接做其他事情
  11. }
  3). lockInterruptibly() lockInterruptibly()方法比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程 正在等待获取锁,则这个线程能够 响应中断,即中断线程的等待状态。例如,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有在等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。 由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常,所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出 InterruptedException,但推荐使用后者,原因稍后阐述。因此,lockInterruptibly()一般的使用形式如下:
  1. public void method() throws InterruptedException {
  2.     lock.lockInterruptibly();
  3.     try {
  4.      //.....
  5.     }
  6.     finally {
  7.         lock.unlock();
  8.     }
  9. }
注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。因为interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。因此,当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,那么只有进行等待的情况下,才可以响应中断的。与 synchronized 相比,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去。  

2、ReentrantLock

ReentrantLock,即 可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例学习如何使用 ReentrantLock。 例 1 : Lock 的正确使用 (1) 三个线程,每个人不同的锁
  1. package thread.test;
  2. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. /**
  5.  * @author 言曌
  6.  * @date 2018/3/15 上午9:36
  7.  */
  8. public class Test {
  9.     static class ThreadA implements Runnable {
  10.         private Lock lock = new ReentrantLock();
  11.         @Override
  12.         public void run() {
  13.             lock.lock();//获得锁
  14.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  15.             // do something
  16.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  17.                 System.out.print(Thread.currentThread().getName() + i + " ");
  18.             }
  19.             System.out.println();
  20.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁\n");
  21.             lock.unlock();//释放锁
  22.         }
  23.     }
  24.     static class ThreadB implements Runnable {
  25.         private Lock lock = new ReentrantLock();
  26.         @Override
  27.         public void run() {
  28.             lock.lock();//获得锁
  29.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  30.             // do something
  31.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  32.                 System.out.print(Thread.currentThread().getName() + i + " ");
  33.             }
  34.             System.out.println();
  35.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁\n");
  36.             lock.unlock();//释放锁
  37.         }
  38.     }
  39.     static class ThreadC implements Runnable {
  40.         private Lock lock = new ReentrantLock();
  41.         @Override
  42.         public void run() {
  43.             lock.lock();//获得锁
  44.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  45.             // do something
  46.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  47.                 System.out.print(Thread.currentThread().getName() + i + " ");
  48.             }
  49.             System.out.println();
  50.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁\n");
  51.             lock.unlock();//释放锁
  52.         }
  53.     }
  54.     public static void main(String args[]) {
  55.         ThreadA threadA = new ThreadA();
  56.         ThreadA threadB = new ThreadA();
  57.         ThreadA threadC = new ThreadA();
  58.         new Thread(new ThreadA(), "A").start();
  59.         new Thread(new ThreadB(), "B").start();
  60.         new Thread(new ThreadC(), "C").start();
  61.     }
  62. }
运行结果如下   (2) 三个线程,同一把锁
  1. public class Test2 {
  2.     static class MyThread implements Runnable {
  3.         private Lock lock;
  4.         public MyThread(Lock lock) {
  5.             this.lock = lock;
  6.         }
  7.         @Override
  8.         public void run() {
  9.             lock.lock();//获得锁
  10.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  11.             // do something
  12.             for (int i = 0; i < 5; i++) {
  13.                 System.out.print(Thread.currentThread().getName() + i + " ");
  14.             }
  15.             System.out.println();
  16.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁\n");
  17.             lock.unlock();//释放锁
  18.         }
  19.     }
  20.     public static void main(String args[]) {
  21.         Lock lock = new ReentrantLock();
  22.         MyThread myThread = new MyThread(lock);
  23.         new Thread(myThread, "A").start();
  24.         new Thread(myThread, "B").start();
  25.         new Thread(myThread, "C").start();
  26.     }
  27. }
运行结果和上图一样   例 2 : tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)
  1. public class Test2 {
  2.     static class MyThread implements Runnable {
  3.         private Lock lock;
  4.         public MyThread(Lock lock) {
  5.             this.lock = lock;
  6.         }
  7.         @Override
  8.         public void run() {
  9.             while(true) {
  10.                 try {
  11.                     Thread.sleep(1000);
  12.                 } catch (InterruptedException e) {
  13.                     e.printStackTrace();
  14.                 }
  15.                 if (lock.tryLock()) { // 使用 tryLock()
  16.                     System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  17.                     // do something
  18.                     System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
  19.                     lock.unlock();//释放锁
  20.                 } else {
  21.                     System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取锁失败...");
  22.                 }
  23.             }
  24.         }
  25.     }
  26.     public static void main(String args[]) {
  27.         Lock lock = new ReentrantLock();
  28.         MyThread myThread = new MyThread(lock);
  29.         new Thread(myThread, "A").start();
  30.         new Thread(myThread, "B").start();
  31.         new Thread(myThread, "C").start();
  32.     }
  33. }
某一次运行结果如下   与 tryLock() 不同的是,tryLock(long time, TimeUnit unit) 能够响应中断,即支持对获取锁的中断,但尝试获取一个内部锁的操作(进入一个 synchronized 块)是不能被中断的。如下所示:
  1. public class Test2 {
  2.     static class MyThread implements Runnable {
  3.         private Lock lock;
  4.         public MyThread(Lock lock) {
  5.             this.lock = lock;
  6.         }
  7.         @Override
  8.         public void run() {
  9.             while(true) {
  10.                 try {
  11.                     Thread.sleep(1000);
  12.                 } catch (InterruptedException e) {
  13.                     e.printStackTrace();
  14.                 }
  15.                 try {
  16.                     if (lock.tryLock(4, TimeUnit.SECONDS)) { // 使用 tryLock(),4s内得到锁则返回true
  17.                         System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  18.                         // do something
  19.                         System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
  20.                         lock.unlock();//释放锁
  21.                     } else {
  22.                         System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取锁失败...");
  23.                     }
  24.                 } catch (InterruptedException e) {
  25.                     e.printStackTrace();
  26.                 }
  27.             }
  28.         }
  29.     }
  30.     public static void main(String args[]) {
  31.         Lock lock = new ReentrantLock();
  32.         MyThread myThread = new MyThread(lock);
  33.         new Thread(myThread, "A").start();
  34.         new Thread(myThread, "B").start();
  35.         new Thread(myThread, "C").start();
  36.     }
  37. }
      例 3 : 使用 lockInterruptibly() 响应中断    

3、ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:
  1. public interface ReadWriteLock {
  2.     /**
  3.      * Returns the lock used for reading.
  4.      *
  5.      * @return the lock used for reading.
  6.      */
  7.     Lock readLock();
  8.     /**
  9.      * Returns the lock used for writing.
  10.      *
  11.      * @return the lock used for writing.
  12.      */
  13.     Lock writeLock();
  14. }
  一个用来获取读锁,一个用来获取写锁。也就是说,将对临界资源的读写操作分成两个锁来分配给线程,从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的 ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口。  

4、ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock 里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。假如有多个线程要同时进行读操作的话,先看一下synchronized达到的效果:
  1. import java.util.Random;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
  3. /**
  4.  * @author 言曌
  5.  * @date 2018/3/15 上午11:07
  6.  */
  7. public class ReadWriteLockTest {
  8.     static class Queue {
  9.         private Object data = null;//共享数据,只能有一个线程写该数据,但可以有多个线程同时读数据
  10.         private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
  11.         public void get() {
  12.             rwl.readLock().lock();//上读锁,其他线程只能读不能写
  13.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始读取数据");
  14.             try {
  15.                 Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  16.             } catch (InterruptedException e) {
  17.                 e.printStackTrace();
  18.             }
  19.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "读取数据完毕,数据为:"+data);
  20.             rwl.readLock().unlock();//释放读锁
  21.         }
  22.         public void put(Object data) {
  23.             rwl.writeLock().lock();//上写锁,不允许其他线程读也不允许写
  24.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始写入数据");
  25.             try {
  26.                 Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
  27.             } catch (InterruptedException e) {
  28.                 e.printStackTrace();
  29.             }
  30.             this.data = data;
  31.             System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完毕,数据为:" + data);
  32.             rwl.writeLock().unlock();//释放写锁
  33.         }
  34.     }
  35.     public static void main(String args[]) {
  36.         Queue queue = new Queue();
  37.         for(int i=0;i<3;i++) {
  38.             new Thread(new Runnable() {
  39.                 @Override
  40.                 public void run() {
  41.                     while(true) {
  42.                         queue.get();
  43.                         queue.put(new Random().nextInt(1000));
  44.                     }
  45.                 }
  46.             }).start();
  47.         }
  48.     }
  49. }
运行结果如下 我们可以看到,三个线程之间读操作是可以同时进行的,而写则不同。 即 读-读 不互斥 读-写 互斥 写-写 互斥  

5、Lock和synchronized的选择

总的来说,Lock和synchronized有以下几点不同:
  • (1) Lock是一个接口,是JDK层面的实现;而synchronized是Java中的关键字,是Java的内置特性,是JVM层面的实现;
  • (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使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断
  • (4) 通过Lock可以知道有没有成功获取锁而synchronized却无法办到
  • (5) Lock可以提高多个线程进行读操作的效率
在性能上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的。而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。  

三. 锁的相关概念介绍

1、可重入锁

如果锁具备可重入性,则称作为 可重入锁 。像 synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了 锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。
  1. class MyClass {
  2.     public synchronized void method1() {
  3.         method2();
  4.     }
  5.     public synchronized void method2() {
  6.     }
  7. }
  上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了。假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是,这就会造成死锁,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。  

2、可中断锁

顾名思义,可中断锁就是可以响应中断的锁。在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。 如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁在前面演示tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性

3、公平锁

公平锁即 尽量 以请求锁的顺序来获取锁。比如,同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。而非公平锁则无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的,这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。 在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。而对于ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。 看下面两个例子: Case : 非公平锁(默认不传参数或者传 false)
  1. public class LockTest2 {
  2.     static class MyThread implements Runnable {
  3.         private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);//默认是非公平锁,false
  4.         @Override
  5.         public void run() {
  6.             while(true) {
  7.                 lock.lock();//获得锁
  8.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  9.                 lock.unlock();//释放锁
  10.             }
  11.         }
  12.     }
  13.     public static void main(String args[]) {
  14.         MyThread myThread = new MyThread();
  15.         new Thread(myThread,"A").start();
  16.         new Thread(myThread,"B").start();
  17.         new Thread(myThread,"C").start();
  18.         new Thread(myThread,"D").start();
  19.         new Thread(myThread,"E").start();
  20.     }
  21. }
运行效果图 我们知道,非公平锁是抢占式获得锁。比如,当 A线程进入 run 后获得锁,其他线程挂起等待,当一层循环执行完毕后,A 线程释放锁,这个时候 A 线程又抢到了锁(跟线程调度有关),所以导致上面的 A 线程连续抢到多次,对其他线程明显不公平。     Case: 公平锁 将锁的初始化构造器中传入 true
  1. private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
其他不变,运行 效果图如下 公平锁和非公平锁就完全不同了,我们看上面的运行效果图就能看出,很是比较公平的。 公平锁采用的是 FIFO 先进先出的顺序来分配的。   根据上面代码演示结果我们可以看出(线程数越多越明显),在公平锁案例下,多个线程在等待一个锁时,一般而言,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该锁。而在非公平锁例下,则无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。 另外, 在ReentrantLock类中定义了很多方法,举几个例子:
  • isFair() //判断锁是否是公平锁
  • isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
  • isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
  • hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
  • getHoldCount() //查询当前线程占有lock锁的次数
  • getQueueLength() // 获取正在等待此锁的线程数
  • getWaitQueueLength(Condition condition) // 获取正在等待此锁相关条件condition的线程数在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。

4.读写锁

读写锁将对临界资源的访问分成了两个锁,一个读锁和一个写锁。正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。上一节已经演示过了读写锁的使用方法,在此不再赘述。   参考:https://www.cnblogs.com/aishangJava/p/6555291.html

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  • avatar 小明

    synchronized中无法查看锁是否获取?那偏向锁进行升级的时候就能判断是否是本线程id的~这怎么说呢?