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JAVA多线程提高八:线程锁技术

摘要：
LockLock实现提供了比使用同步方法和语句更广泛的锁定操作。ReadWriteLock ReadWriteLock维护一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写操作。AbstractQueuedLongSynchronizer是AbstractQueuedSynchronizer的一个版本，它以long的形式维护同步状态。LockSupport用于创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。在同步修改的情况下，当线程正在等待锁时，它不能被中断。它必须一直等待。

前面我们讲到了synchronized；那么这节就来将lock的功效。

一、locks相关类

锁相关的类都在包java.util.concurrent.locks下，有以下类和接口：

|---AbstractOwnableSynchronizer
|---AbstractQueuedLongSynchronizer
|---AbstractQueuedSynchronizer
|---Condition
|---Lock
|---LockSupport
|---ReadWriteLock
|---ReentrantLock
|---ReentrantReadWriteLock

接口摘要:

接口摘要
ConditionCondition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。
LockLock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。
ReadWriteLockReadWriteLock 维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。

类摘要:

类摘要
AbstractOwnableSynchronizer可以由线程以独占方式拥有的同步器。
AbstractQueuedLongSynchronizer以 long 形式维护同步状态的一个 AbstractQueuedSynchronizer 版本。
AbstractQueuedSynchronizer为实现依赖于先进先出 (FIFO) 等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量、事件，等等）提供一个框架。
LockSupport用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。
ReentrantLock一个可重入的互斥锁 Lock，它具有与使用 synchronized 方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。
ReentrantReadWriteLock支持与 ReentrantLock 类似语义的 ReadWriteLock 实现。
ReentrantReadWriteLock.ReadLockReentrantReadWriteLock.readLock() 方法返回的锁。
ReentrantReadWriteLock.WriteLockReentrantReadWriteLock.writeLock() 方法返回的锁。

二、synchronized与lock

synchronized对比lock：
1、synchronized是Java语言的关键字属于内置特性，Lock是一个类
2、使用synchronized不需要用户去手动释放锁，使用Lock需要在finally手动释放锁，不然容易造成线程死锁

详细对比见下面的表格：

类别synchronizedLock
存在层次Java的关键字，在jvm层面上是一个类
锁的释放1、以获取锁的线程执行完同步代码，释放锁 2、线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁在finally中必须释放锁，不然容易造成线程死锁
锁的获取假设A线程获得锁，B线程等待。如果A线程阻塞，B线程会一直等待分情况而定，Lock有多个锁获取的方式，具体下面会说道，大致就是可以尝试获得锁，线程可以不用一直等待
锁状态无法判断可以判断
锁类型可重入 不可中断 非公平可重入 可判断 可公平（两者皆可）
性能少量同步大量同步

三、常用类

1.Lock

Lock是一个接口：

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

下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。

lock()

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。 
由于在前面讲到如果采用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：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){

}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

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。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){

     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

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。也就是说，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。

因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {
    lock.lockInterruptibly();
    try {  
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }  
}

注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。 
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。 
而用synchronized修饰的话，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.锁类型

Java中存在以下几种锁：

  • 可重入锁：在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁(可看一个使用示例)

  • 可中断锁：在等待获取锁过程中可中断

  • 公平锁： 按等待获取锁的线程的等待时间进行获取，等待时间长的具有优先获取锁权利

  • 读写锁：对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理，读的时候可以多线程一起读，写的时候必须同步地写

可重入锁ReentrantLock

ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。

例子1:lock()的使用 
可以类似于Synchronized的用法，定义一个类，新建一个该类的对象用于线程间同步，在类里面定义锁的对象。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class LockTest {

    public static void main(String[] args) {
        new LockTest().init();
    }

    private void init(){
        final Outputer outputer = new Outputer();
        new Thread(new Runnable(){
            public void run() {
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    outputer.output("zhangxiaoxiang");
                }

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable(){
            public void run() {
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    outputer.output("lihuoming");
                }

            }
        }).start();

    }

    static class Outputer{
        Lock lock = new ReentrantLock();
        public void output(String name){
            lock.lock();
            try{
                System.out.println(name);
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

输出：

zhangxiaoxiang
lihuoming
lihuoming
zhangxiaoxiang
zhangxiaoxiang
lihuoming
...

注意：输出的字符串顺序不定，个数也不定。

例子2:tryLock()的使用

这里相比例子1只修改了Outputer类，main方法一样。

static class Outputer{
    Lock lock = new ReentrantLock();
    public void output(String name){
        if (lock.tryLock()) {
            try{
                System.out.println(name + "得到锁");
            }finally{
                lock.unlock();
                System.out.println(name + "释放锁");
            }
        } else {
            System.out.println(name + "获取锁失败");
        }
    }
}

输出：

lihuoming得到锁
zhangxiaoxiang获取锁失败
lihuoming释放锁
zhangxiaoxiang得到锁
zhangxiaoxiang释放锁
lihuoming得到锁
lihuoming释放锁
...

注意：输出的字符串顺序不定，个数也不定。

例子3:lockInterruptibly()的使用 

执行lockInterruptibly()方法的方法中，需要将异常InterruptedException抛出，在等待锁的线程可调用interrupt()方法中断，即可触发异常InterruptedException，然后可以在catch中执行相应的操作。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {

    public static void main(String[] args) {
        new LockTest().init();
    }

    private void init(){
        final Outputer outputer = new Outputer();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable(){
            public void run() {
                String name = "zhangxiaoxiang";
                try {
                    Thread.sleep(10);
                    outputer.output(name);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(name + "被中断");
                }


            }
        });
        thread1.start();

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable(){
            public void run() {
                String name = "lihuoming";
                try {
                    Thread.sleep(10);
                    outputer.output(name);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(name + "被中断");
                }

            }
        });
        thread2.start();

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

    }

    static class Outputer{
        Lock lock = new ReentrantLock();
        //将InterruptedException抛出
        public void output(String name) throws InterruptedException {
            System.out.println(name + "试图执行output方法");
            lock.lockInterruptibly();
            try{
                System.out.println(name + "得到锁");
                long startTime = System.currentTimeMillis();
                for(    ;     ;) {
                    if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                        break;
                }
            }finally{
                System.out.println(name + "执行了finally");
                lock.unlock();
                System.out.println(name + "释放锁");

            }
        }
    }
}

输出：

zhangxiaoxiang试图执行output方法
zhangxiaoxiang得到锁
lihuoming试图执行output方法
lihuoming被中断

运行之后，发现thread2能够被正确中断

在jdk源码中的一个运用就是类ArrayBlockingQueue的方法。该方法中有以下几点注意： 
1、使用lock.lockInterruptibly()需抛出异常InterruptedException 
2、使用了Condition 
3、在finally中关闭锁

/**
  * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
  * up to the specified wait time for space to become available if
  * the queue is full.
  *
  * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
  * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
  */
 public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
     throws InterruptedException {
     checkNotNull(e);
     long nanos = unit.toNanos(timeout);
     final ReentrantLock lock = this.lock;
     lock.lockInterruptibly();
     try {
         while (count == items.length) {
             if (nanos <= 0)
                 return false;
              /** notFull是一个Condition对象，
              ** Condition for waiting puts 
              ** private final Condition notFull;
              */
             nanos = notFull.awaitNanos(nanos);
         }
         insert(e);
         return true;
     } finally {
         lock.unlock();
     }
 }

3.读写锁ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

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();
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2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。ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

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。

读写锁，分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，由JVM控制。

注意：此锁最多支持 65535 个递归写入锁和 65535 个读取锁。试图超出这些限制将导致锁方法抛出 Error。

下面给出构造函数和常用方法的简要说明：

类ReentrantReadWriteLock

  • ReentrantReadWriteLock(boolean fair)： 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock。
  • ReentrantReadWriteLock()：使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock

类ReentrantReadWriteLock的方法

返回类型方法
ReentrantReadWriteLock.ReadLockreadLock() 返回用于读取操作的锁
ReentrantReadWriteLock.WriteLockwriteLock() 返回用于写入操作的锁

下面给出示例代码：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        final Queue3 q3 = new Queue3();
        for(int i=0;i<3;i++)
        {
            final Thread readThread = new Thread() {
                public void run() {
                    while (true) {
                        q3.get();
                    }
                }
            };
            readThread.setName("read-"+i);
            readThread.start();


            final Thread writeThread = new Thread(){
                public void run(){
                    while(true){
                        q3.put(new Random().nextInt(10000));
                    }
                }           

            };
            writeThread.setName("write-"+i);
            writeThread.start();
        }

    }
}

class Queue3{
    private Object data = null;
    ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    public void get(){
        rwl.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to read data!");
            Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have read data :" + data);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }

    public void put(Object data){

        rwl.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to write data!");                  
            Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
            this.data = data;       
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have write data: " + data);                 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            rwl.writeLock().unlock();
        }
    }
}

输出：

read-0 be ready to read data!
read-1 be ready to read data!
read-0 have read data :null
read-1 have read data :null
write-1 be ready to write data!
write-1 have write data: 3713
write-1 be ready to write data!
write-1 have write data: 3420

对输出结果进行分析：be ready to read data！和have read data并不是先后出现的，中间可以夹着be ready to read data！说明读锁之间不互斥。

面试题： 
缓存系统：取数据，需调用public Object getData(String key)方法，先检查缓存有没有这个数据，如果有就直接返回，如果没有，就从数据库中查找这个数，然后写入缓存。 
如果使用synchronized对getData加锁，那么getData方法只能被一个读线程执行，其他读操作就得等待，这里可以使用一个读写锁，只有在写的时候才需要互斥

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class CacheDemo {

    private Map<String, Object> cache = new HashMap<String, Object>();
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

    }

    private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    public  Object getData(String key){
        rwl.readLock().lock();
        Object value = null;
        try{
            value = cache.get(key);
            if(value == null){
                rwl.readLock().unlock();
                rwl.writeLock().lock();
                try{
                    //再次进行判断，防止多个写线程堵在这个地方重复写
                    if(value==null){
                        value = "aaaa"; //设置新值
                    }
                }finally{
                    rwl.writeLock().unlock();
                }
                //设置完成 释放写锁，恢复读写状态
                rwl.readLock().lock();
            }
        }finally{
            rwl.readLock().unlock();
        }
        return value;
    }
}

其他更多有关ReentrantReadWriteLock后面补充。

4.Condition

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

synchronized常与wait、notify等方法使用，Condition常与await、signal等方法使用。

  • Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
  • Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
  • 调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

Conditon中的await()对应Object的wait()； 
Condition中的signal()对应Object的notify()； 
Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

Condition中的long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException方法传入一个等待的微秒时间，该方法返回了所剩毫微秒数的一个估计值，以等待所提供的 nanosTimeout 值的时间，如果超时，则返回一个小于等于 0 的值。可以用此值来确定在等待返回但某一等待条件仍不具备的情况下，是否要再次等待，以及再次等待的时间。此方法的典型用法采用以下形式(上面讲ArrayBlockingQueue的public E poll(long timeout, TimeUnit unit)方法中就用到这个方法)：

synchronized boolean aMethod(long timeout, TimeUnit unit) {
   long nanosTimeout = unit.toNanos(timeout);
   while (!conditionBeingWaitedFor) {
     if (nanosTimeout > 0)
         nanosTimeout = theCondition.awaitNanos(nanosTimeout);
      else
        return false;
   }
   // ... 
 }

代码示例：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionCommunication {

    public static void main(String[] args) {
        final Business business = new Business();
        new Thread(
                new Runnable() {
                    public void run() {
                        for (int i = 1; i <= 50; i++) {
                            business.sub(i);
                        }
                    }
                }
        ).start();

        for (int i = 1; i <= 50; i++) {
            business.main(i);
        }
    }

    static class Business {
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        private boolean bShouldSub = true;

        public void sub(int i) {
            lock.lock();
            try {
                while (!bShouldSub) {
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                for (int j = 1; j <= 10; j++) {
                    System.out.println("sub thread sequence of " + j + ",loop of " + i);
                }
                bShouldSub = false;
                condition.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public void main(int i) {
            lock.lock();
            try {
                while (bShouldSub) {
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                for (int j = 1; j <= 100; j++) {
                    System.out.println("main thread sequence of " + j + ",loop of " + i);
                }
                bShouldSub = true;
                condition.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }
}

同样：await()方法需要放在while循环中。 
更多参考： 

与传统的同步对比可参考：线程间协作的两种方式：wait、notify、notifyAll和Condition

参考

详解synchronized与Lock的区别与使用 

Java并发编程：Lock

标签：#reentrantlock#线程#多线程#线程阻塞#中断处理#try#string | 浏览：110 | 发布日期：

免责声明：文章转载自《JAVA多线程提高八:线程锁技术》仅用于学习参考。如对内容有疑问，请及时联系本站处理。

上篇Flink写入kafka时，只写入kafka的部分Partitioner，无法写所有的Partitioner问题HTML-embed标签详解下篇

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