Java - 可重入锁ReentrantLock简单用法
Java 中显示锁的借口和类主要位于java.util.concurrent.locks下，其主要的接口和类有：
- 锁接口Lock，其主要实现为ReentrantLock
- 读写锁接口ReadWriteLock，其主要实现为ReentrantReadWriteLock
一、接口Lock
其中显示锁Lock的定义为：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
其中：
- lock()/unlock() ： 为获取锁和释放锁的方法，其中lock()会阻塞程序，直到成功的获取锁。
- lockInterruptibly()：与lock()不同的地方是，它可以响应程序中断，如果被其他程序中断了，则抛出InterruptedException。
- tryLock()：尝试获取锁，该方法会立即返回，并不会阻塞程序。如果获取锁成功则返回true，反之则返回false。
- tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试获取锁，如果能获取锁则直接返回true；否则阻塞等待，阻塞时长由传入的参数来决定，在等待的同时响应程序中断，如果发生了中断则抛出InterruptedException；如果在等待的时间中获取了锁则返回true，反之返回false。
- newCondition()：新建一个条件，一个Lock可以关联多个条件。
相比synchronized，显示锁可以用非阻塞的方式获取锁，可以响应程序中断，可以设定程序的阻塞时间，拥有更加灵活的操作。
二、可重入锁ReentrantLock
2.1 基本用法
ReentrantLock是Lock接口的主要实现类，其基本用法lock()/unlock()实现了与synchronized一样的语义，其中包括：
- 可重入，一个线程在持有一个锁的前提下，可以继续获得该锁；
- 可以解决竞态条件问题（临界区资源）；
- 可以保证内存可见性问题。
ReentrantLock有两个构造方法。
public ReentrantLock()
public ReentrantLock(boolean fair)
参数fair表示是否保证公平，在不指定的情况下默认值为false，表示不保证公平。
公平的意思是指：等待时间最长的线程优先获取锁。
但是保证公平可能会影响程序的性能，在一般情况下也不需要保证公平，所以默认值为 false 。而synchronized也是不保证公平的。
在使用显示锁的情况下，一定要记得调用 unlock 。一般而言，应该将 lock 之后的代码块包装在 try 语句中，在 finally 语句中释放锁，例如以下实现计数器的代码：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* Created by Joe on 2018/4/10.
*/
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile int count;
public void incr() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
2.2 使用tryLock避免死锁
使用tryLock()方法可以避免死锁的发生。在持有一个锁而尝试获取另外一个锁，但是获取不到的时候，可以释放已持有的锁，给其他线程获取锁的机会，然后重试获取所有的锁。
接下来使用银行之间转账的例子。
表示账户的Account类：
public class Account {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile double money;
public Account(double initialMoney) {
this.money = initialMoney;
}
public void add(double money) {
lock.lock();
try {
this.money += money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void reduce(double money) {
lock.lock();
try {
this.money -= money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public double getMoney() {
return money;
}
void lock() {
lock.lock();
}
void unlock() {
lock.unlock();
}
boolean tryLock() {
return lock.tryLock();
}
}
Account类中的money表示当前的余额。add/reduce用于修改余额。在账户之间转账，需要这两个账户都要进行锁定。如果我们直接只用 lock() ，我们的代码清单如下：
public class AccountMgr {
public static class NoEnoughMoneyException extends Exception {}
public static void transfer(Account from, Account to, double money)
throws NoEnoughMoneyException {
from.lock();
try {
to.lock();
try {
if(from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
throw new NoEnoughMoneyException();
}
} finally {
to.unlock();
}
} finally {
from.unlock();
}
}
}
但是这种写法容易发生死锁。比如，两个账户都想同时给对方进行转账，并且均获得了第一个锁。在这种情况下就会发生死锁。
接下来的代码用于模拟账户转账的死锁过程。
public static void simulateDeadLock() {
final int accountNum = 10;
final Account[] accounts = new Account[accountNum];
final Random rnd = new Random();
for(int i = 0; i < accountNum; i++) {
accounts[i] = new Account(rnd.nextInt(10000));
}
int threadNum = 100;
Thread[] threads = new Thread[threadNum];
for(int i = 0; i < threadNum; i++) {
threads[i] = new Thread() {
public void run() {
int loopNum = 100;
for(int k = 0; k < loopNum; k++) {
int i = rnd.nextInt(accountNum);
int j = rnd.nextInt(accountNum);
int money = rnd.nextInt(10);
if(i != j) {
try {
transfer(accounts[i], accounts[j], money);
System.out.println(i + "--->" + j + "转账成功:" + money);
} catch (NoEnoughMoneyException e) {
}
}
}
}
};
threads[i].start();
}
}
public static void main(String[] args) {
simulateDeadLock();
}
以上代码创建了10个账户，100个线程，每个线程均循环100次，在循环中随机挑选两个账户进行转账。在程序运行多次之后你会发现如下图所示的情况，程序因为发生死锁陷入阻塞态，无法完整执行程序：
死锁.png-29.3kB
</center>
接下来我们使用 tryLock 书写一个新的方法，代码如下所示：
public static boolean tryTransfer(Account from, Account to, double money)
throws NoEnoughMoneyException {
if (from.tryLock()) {
try {
if (to.tryLock()) {
try {
if (from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
throw new NoEnoughMoneyException();
}
return true;
} finally {
to.unlock();
}
}
} finally {
from.unlock();
}
}
return false;
}
尝试获取账户的锁，如果两个锁都能获取成功，则返回 true，反之则返回 false。无论锁的获取状态如何，在方法体结束之后都会释放所有的锁。同时我们可以改造 transfer 方法来循环调用该方法以避免死锁情况的发生，其代码可以为：
public static void transfer(Account from, Account to, double money)
throws NoEnoughMoneyException {
boolean success = false;
do {
success = tryTransfer(from, to, money);
if (!success) {
Thread.yield();
}
} while (!success);
}
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