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Java基础23-初识Lock

Java基础23-初识Lock

作者: Tian_Peng | 来源:发表于2019-08-13 00:02 被阅读0次

概述

在前面的文章中我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题，从Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问，那就是Lock。

synchronized的缺陷

既然都可以通过synchronized来实现同步访问了，那么为什么还需要提供Lock？

在上面一篇文章中，我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了，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，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

  • 获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
  • 线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。

那么如果这个获取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，其他线程便只能干巴巴地等待，这将影响程序执行效率。

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或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

再举个例子：当有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。

但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，同样通过Lock就可以办到。

另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

Lock和synchronized的不同：

  • Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
  • Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized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，就有可能导致出现死锁现象。

认识Lock

Lock位于java.util.concurrent.locks包下，它是一个接口：

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

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？

  • 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。
    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：
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}
  • tryLock()
    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。
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
}
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)
    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。
  • 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。也就使说，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。
    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。
public void method() throws InterruptedException {
    Lock lock = ...;
    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。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。

ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“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。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。

lock()的正确使用方法

先看以下代码示例：

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();    //注意这个地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
}

运行结果：

Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁

怎么会输出这个结果？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，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。

正确的使用方式如下：

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方

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

程序运行结果：

Thread-0得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1得到了锁
Thread-1释放了锁

tryLock()的使用方法

public class Test {
    
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方

    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() + "得到了锁");
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            } finally {
                System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName() + "获取锁失败");
        }
    }
}

lockInterruptibly()响应中断的使用方法

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，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            for (; ; ) {
                if (System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                    break;
                //插入数据
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
        }
    }
}

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() + "被中断");
        }
    }
}

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。

下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

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() 用来获取读锁
  • writeLock() 用来获取写锁

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：

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() + "正在进行读操作");
        }
        System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
    }
}

这段程序的输出结果是：直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。

Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕

该用读写锁：

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() + "正在进行读操作");
            }
            System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

运行结果：

Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1读操作完毕

说明thread1和thread2在同时进行读操作，这样就大大提升了读操作的效率。

注意：

  • 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，则申请的线程会一直等待释放写锁。

总结

Lock和synchronized有以下几点不同：

  • Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
  • 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；
  • Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
  • 通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
  • Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

Synchronized

  • 优点：实现简单，语义清晰，便于JVM堆栈跟踪；加锁解锁过程由JVM自动控制，提供了多种优化方案。
  • 缺点：不能进行高级功能（定时，轮询和可中断等）。

Lock

  • 优点：可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操作，提供了读写锁、公平锁和非公平锁
  • 缺点：需手动释放锁unlock，不适合JVM进行堆栈跟踪。

最后再贴一段Doug Lea大神在书中，关于在Synchronized和ReentrantLock之间进行选择的原话：

在一些内置锁无法满足需求的情况下，ReentrantLock可以作为一种高级工具。当需要一些高级功能时才应该使用ReentrantLock，这些功能包括：可定时的，可轮询的与可中断的锁获取操作，公平队列，以及非块结构的锁。否则，还是应该优先使用Synchronized

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