Java 多线程(2)：ReentrantLock以及lock(

作者: ZzzRicardo_Yue | 来源:发表于2016-11-30 19:39 被阅读0次

整理自博客：
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3923167.html

在上一篇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。
也许有朋友会问，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？这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起，然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口，最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西
　　
以下是本文目录大纲：

一.synchronized的缺陷
二.java.util.concurrent.locks包下常用的类
三.锁的相关概念介绍

一.synchronized的缺陷

synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？
　　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：
　　1）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；
　　2）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，试想一下，这多么影响程序执行效率。
　　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，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。
　　总结一下，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）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；
　　2）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。
　　下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。

1、Lock

首先要说明的就是Lock，通过查看Lock的源码可知，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。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。
　　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。
　　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();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     ···
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

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()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。
　　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、ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念在下一节讲述。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()的正确使用方法

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    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();
        }
    }
}

各位朋友先想一下这段代码的输出结果是什么？

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

也许有朋友会问，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。
　　知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。

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) {
        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();
        }
    }
}

例子2，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");
        }
    }
}

输出结果：

Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁

例子3，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");
        }
    }
}

运行之后，发现thread2能够被正确中断。
这里关于lockInterruptibly()、lock()、tryLock()三者的区别在知乎中有如下解释（链接：https://www.zhihu.com/question/36771163/answer/68974735）:

lock(), 拿不到lock就不罢休，不然线程就一直block。比较无赖的做法。
tryLock()，马上返回，拿到lock就返回true，不然返回false。比较潇洒的做法。
带时间限制的tryLock()，拿不到lock，就等一段时间，超时返回false。比较聪明的做法。
lockInterruptibly()就稍微难理解一些。

接着说说线程的打扰机制，每个线程都有一个打扰标志。这里分两种情况，

线程在sleep或wait,join，此时如果别的进程调用此进程的 interrupt（）方法，此线程会被唤醒并被要求处理InterruptedException；(thread在做IO操作时也可能有类似行为，见java thread api)
此线程在运行中，则不会收到提醒。但是此线程的 “打扰标志”会被设置，可以通过isInterrupted()查看并作出处理。

lockInterruptibly()和上面的第一种情况是一样的，线程在请求lock并被阻塞时，如果被interrupt，则“此线程会被唤醒并被要求处理InterruptedException。并且如果线程已经被interrupt，再使用lockInterruptibly的时候，此线程也会被要求处理interruptedException

先看lock()方法：

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

/**
 * @author 作者 E-mail:
 * @version 创建时间：2015-10-23 下午01:47:03 类说明
 */
public class TestLock
{
    // @Test
    public void test() throws Exception
    {
        final Lock lock = new ReentrantLock();
        lock.lock();

        
        Thread t1 = new Thread(new Runnable()
        {
            @Override
            public void run()
            {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted.");
            }
        },"child thread -1");
        
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        
        t1.interrupt();
        
        Thread.sleep(1000000);
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        new TestLock().test();
    }
}

用eclipse对这个程序进行debug发现，即使子线程已经被打断，但是子线程仍然在run，可见lock()方法并不关心线程是否被打断，甚至说主线程已经运行完毕，子线程仍然在block()
而使用LockInterupptibly，则会响应中断

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

/**
 * @author 作者 E-mail:
 * @version 创建时间：2015-10-23 下午01:53:10 类说明
 */
public class TestLockInterruptibly
{

    // @Test
    public void test3() throws Exception
    {
        final Lock lock = new ReentrantLock();
        lock.lock();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable()
        {
            @Override
            public void run()
            {
                try
                {
                    lock.lockInterruptibly();
                }
                catch(InterruptedException e)
                {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted.");
                }
            }
        }, "child thread -1");

        t1.start();
        Thread.sleep(1000);

        t1.interrupt();

        Thread.sleep(1000000);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        new TestLockInterruptibly().test3();
    }
}


try{
      Thread.sleep(2000);
      lock.lockInterruptibly();
   }catch(InterruptedException e){
       System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" interrupted.");
}
  t1.start();
  t1.interrupt();
  Thread.sleep(1000000);

如果将代码改成这样，那么将会在在阻塞之前已经中断，此时再lockInterruptibly()也是会相应中断异常的

也就是说：如果使用的是lockInterruptibly()，那么执行thread2.interrupt()，该线程会被立即中断，跳入interrupt异常处理，如果使用的是lock((),除非该线程刚好在sleep或wait,join状态，否则不会响应这个interruppt

Java 多线程(2)：ReentrantLock以及lock(

一.synchronized的缺陷

1、Lock

2、ReentrantLock

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