Java 并发开发:Lock 框架详解

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

回顾文章《Java 并发:内置锁 Synchronized》,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:

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,详细内容见文章《Java 并发:线程间通信与协作》。

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:

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:

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:

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

结果或许让人觉得诧异。第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会对临界资源形成同步互斥访问。因此,我们只需要将lock声明为成员变量即可,如下所示。

例 2 : tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)

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:

例 3 : 使用 lockInterruptibly() 响应中断

运行上述代码之后,发现 thread2 能够被正确中断,放弃对任务的执行。特别需要注意的是,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面(try 语句块外),然后将 InterruptedException 抛出。如果不这样做,像如下代码所示:

注意,上述代码就将锁的获取操作放在try语句块里,则必定会执行finally语句块中的解锁操作。在 准备获取锁的 线程B 被中断后,再执行解锁操作就会抛出 IllegalMonitorStateException,因为该线程并未获得到锁却执行了解锁操作。

3、ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:

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:

这段程序的输出结果会是,直到线程A执行完读操作之后,才会打印线程B执行读操作的信息。而改成使用读写锁的话:

我们可以看到,线程A和线程B在同时进行读操作,这样就大大提升了读操作的效率。不过要注意的是,如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程也会一直等待释放写锁。

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。

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 : 公平锁

Case: 非公平锁

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。

原文发布于微信公众号 - java一日一条(mjx_java)

原文发表时间:2017-11-20

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