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一文秒懂 Java java.util.concurrent.Locks

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对于 Java 来讲,锁 ( Lock ) 是一种比标准同步块 ( synchronized block ) 更灵活,更复杂的线程同步机制。

其实,Java 1.5 就已经存在 Lock 接口了。这个 Lock 接口在 java.util.concurrent.lock 包中定义,提供了大量的锁操作。

本文中,我们将讲解 Lock 接口的不同实现并介绍如何在应用程序中使用锁。

锁 ( lock ) 和同步块 ( synchronized block ) 之间的差异

使用 synchronized 块和使用 Lock API 之间几乎没有区别:

  • 同步块完全包含在方法中 : 在独立的方法中,我们可以使用 Lock 提供的 lock()unlock() 实现锁和解锁操作。
  • 同步块不支持公平竞争,任何线程都可以获取释放的锁定,且不能指定优先级。但锁 ( Lock ) 就不一样了,可以通过指定公平属性来实现 Lock 中的公平性。这可以确保最长的等待线程被授予锁定权限。
  • 如果线程无法访问同步块,则会阻塞该线程。Lock 则提供了 tryLock() 方法。线程只有在可用且不被任何其他线程保持时才获取锁定。这减少了线程等待锁定的阻塞时间。
  • 处于 「 等待 」 状态以获取对同步块的访问的线程不能被中断。Lock 提供了一个 lockInterruptibly() 方法,可用于在等待锁定时中断线程。

从上面的对比来看,同步块的所有机制,锁 ( Lock ) 都有相应的 API 对应。

Lock API

我们来看看 Lock 接口提供了哪些方法:

方法 说明
void lock() 尝试获取锁(如果可用),如果锁不可用,则线程会被阻塞,直到锁被释放
oid lockInterruptibly() 类似于 lock(),但它允许被阻塞的线程被中断并通过抛出的 java.lang.InterruptedException 恢复执行
boolean tryLock() lock() 方法的非阻塞版本,它会立即尝试获取锁定,如果锁定成功则返回 true
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit) 类似于 tryLock(),但它可以指定超时,达到超时之后就会自动放弃获取锁
void unlock() 解锁 Lock 实例

锁定的实例应该始终被解锁以避免死锁情况。

锁的推荐使用方式是将锁相关的代码块放在 try/catchfinally 块中。

Lock lock = ...; 
lock.lock();
try {
    // access to the shared resource
} finally {
    lock.unlock();
}

除了 Lock 接口之外,java.util.concurrent.lock 包还提供了一个 ReadWriteLock 接口,俗称 「读写锁」,它维护一对锁,一个用于只读操作,一个用于写操作。

对于读写锁,只要没有写入,读锁定可以由多个线程同时保持。

ReadWriteLock 声明了两个方法用于获取读取或写入锁

方法 说明
Lock readLock() 返回一个用于读取的锁
Lock writeLock() 返回一个用于写的锁

锁的实现

ReentrantLock 锁

ReentrantLock 类实现了 Lock 接口。它提供了相同的并发和内存语义,如使用 synchronized 方法和语句访问的隐式监视器锁,而且可以被子类化。

我们写一个范例演示下如何使用 ReenrtantLock 来实现同步

public class SharedObject {
    //...
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    int counter = 0;

    public void perform() {
        lock.lock();
        try {
            // Critical section here
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    //...
}

正如上面的示例所示,我们需要确保在 try-finally 块中包装 lock()unlock() 调用以避免死锁情况。

现在,让我们来看看 tryLock() 的工作原理

public void performTryLock(){
    //...
    boolean isLockAcquired = lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);

    if(isLockAcquired) {
        try {
            //Critical section here
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    //...
}

上面这个范例中,调用 tryLock() 的线程将等待一秒钟,如果锁定不可用则放弃等待。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock 类实现了 ReadWriteLock 接口。

我们来看一下线程获取 ReadLock 或 WriteLock 的规则:

  • 读锁 : 如果没有线程获得写锁定或请求它,则多个线程可以获取读锁定。
  • 写锁 : 如果没有线程正在读或写,则只有一个线程可以获取写锁。

我们写一个范例演示下如何使用 ReadWriteLock

public class SynchronizedHashMapWithReadWriteLock {

    Map<String,String>  syncHashMap = new HashMap<>();
    ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    //...
    Lock writeLock = lock.writeLock();

    public void put(String key, String value) {
        try {
            writeLock.lock();
            syncHashMap.put(key, value);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
    ...
    public String remove(String key){
        try {
            writeLock.lock();
            return syncHashMap.remove(key);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
    //...
}

对于这两种 "写" 操作,我们需要使用写锁定来包围临界区,只有一个线程可以访问它

Lock readLock = lock.readLock();
//...
public String get(String key){
    try {
        readLock.lock();
        return syncHashMap.get(key);
    } finally {
        readLock.unlock();
    }
}

public boolean containsKey(String key) {
    try {
        readLock.lock();
        return syncHashMap.containsKey(key);
    } finally {
        readLock.unlock();
    }
}

对于这两种 "读" 操作,我们需要使用读锁定来包围临界区。如果没有正在进行的写操作,多个线程可以访问此部分。

StampedLock

StampedLock 是 Java 8 中引入的。它支持读写锁定。不同的是,锁的获取方法返回的戳记 ( stamp ) 可以用于释放锁定或检查锁定是否仍然有效。

public class StampedLockDemo {
    Map<String,String> map = new HashMap<>();
    private StampedLock lock = new StampedLock();

    public void put(String key, String value){
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            map.put(key, value);
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public String get(String key) throws InterruptedException {
        long stamp = lock.readLock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            lock.unlockRead(stamp);
        }
    }
}

StampedLock 提供的另一个功能是 「 乐观锁 」 。大多数时候,读操作不需要等待写操作完成,因此不需要完全成熟的读锁。相反,我们可以升级到读锁。

public String readWithOptimisticLock(String key) {
    long stamp = lock.tryOptimisticRead();
    String value = map.get(key);

    if(!lock.validate(stamp)) {
        stamp = lock.readLock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            lock.unlock(stamp);               
        }
    }
    return value;
}

使用条件

Condition 类让线程能够在执行临界区时等待某些条件发生。当线程获得对临界区的访问但没有执行其操作的必要条件时,可能会发生这种情况。

例如,读线程可以访问共享队列的锁,该队列仍然没有任何数据可供使用。

传统上,Java 为线程互通提供了 wait()notify()notifyAll() 方法。

Condition 类有类似的机制,而且,还允许我们指定多个条件。

public class ReentrantLockWithCondition {

    Stack<String> stack = new Stack<>();
    int CAPACITY = 5;

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition stackEmptyCondition = lock.newCondition();
    Condition stackFullCondition = lock.newCondition();

    public void pushToStack(String item){
        try {
            lock.lock();
            while(stack.size() == CAPACITY){
                stackFullCondition.await();
            }
            stack.push(item);
            stackEmptyCondition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String popFromStack() {
        try {
            lock.lock();
            while(stack.size() == 0){
                stackEmptyCondition.await();
            }
            return stack.pop();
        } finally {
            stackFullCondition.signalAll();
            lock.unlock();
        }
    }
}
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