Day833.Lock和Condition（上）：隐藏在并发包中的管程 -Java 并发编程实战

Posted 2023-01-11 阿昌喜欢吃黄桃

Lock和Condition（上）：隐藏在并发包中的管程

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于Lock和Condition（上）：隐藏在并发包中的管程。

Java SDK 并发包内容很丰富，包罗万象，但是我觉得最核心的还是其对管程的实现。

因为理论上利用管程，几乎可以实现并发包里所有的工具类。在《多线程原语：管程》中提到过在并发编程领域，有两大核心问题：

• 一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；
• 另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。这两大问题，管程都是能够解决的。

Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现，既然 Java 从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢？

难道 Java 标准委员会还能同意“重复造轮子”的方案？很显然它们之间是有巨大区别的。

那区别在哪里呢？

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一、再造管程的理由

也许曾经听到过很多这方面的传说：

• 例如在 Java 的 1.5 版本中，synchronized 性能不如 SDK 里面的 Lock
• 1.6 版本之后，synchronized 做了很多优化，将性能追了上来，所以 1.6 之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。

那性能是否可以成为“重复造轮子”的理由呢？显然不能。

因为性能问题优化一下就可以了，完全没必要“重复造轮子”。到这里，关于这个问题，在前面死锁问题的时候，提出了一个破坏不可抢占条件方案，但是这个方案 synchronized 没有办法解决。

原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但希望的是：

对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？觉得有三种方案。

1. 能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
2. 支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
3. 非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。

到这里相信应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。

详情如下：

// 支持中断的API
void lockInterruptibly() 
  throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 
  throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();

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二、如何保证可见性

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是tryfinally，需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。

这个范例无需多解释，你看一下下面的代码就明白了。

但是有一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。

已经知道 Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有一条 synchronized 相关的规则：

synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？

例如在下面的代码中，线程 T1 对 value 进行了 +=1 操作，那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗？

class X 
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public void addOne() 
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try 
      value+=1;
     finally 
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    
  

答案必须是肯定的。

Java SDK 里面锁的实现非常复杂，这里不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则。

Java SDK 里面的 ReentrantLock，内部持有一个 volatile 的成员变量 state，获取锁的时候，会读写 state 的值；解锁的时候，也会读写 state 的值（简化后的代码如下面所示）。

也就是说，在执行 value+=1 之前，程序先读写了一次 volatile 变量 state，在执行 value+=1 之后，又读写了一次 volatile 变量 state。

根据相关的 Happens-Before 规则：

1. 顺序性规则：对于线程 T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock()；
2. volatile 变量规则：由于 state = 1 会先读取 state，所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作；
3. 传递性规则：线程 T1 的 value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

class SampleLock 
  volatile int state;
  // 加锁
  lock() 
    // 省略代码无数
    state = 1;
  
  // 解锁
  unlock() 
    // 省略代码无数
    state = 0;
  

所以说，后续线程 T2 能够看到 value 的正确结果。

重温一下前面的《Happens-Before 规则》里面的相关内容。

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三、什么是可重入锁

会发现创建的锁的具体类名是 ReentrantLock，这个翻译过来叫可重入锁，这个概念一直没有介绍过。

所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。

例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。

此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1 可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。除了可重入锁，可能你还听说过可重入函数，可重入函数怎么理解呢？指的是线程可以重复调用？

显然不是，所谓可重入函数，指的是多个线程可以同时调用该函数，每个线程都能得到正确结果；同时在一个线程内支持线程切换，无论被切换多少次，结果都是正确的。

多线程可以同时执行，还支持线程切换，这意味着什么呢？线程安全啊。

所以，可重入函数是线程安全的。

class X 
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public int get() 
    // 获取锁
    rtl.lock();         ②
    try 
      return value;
     finally 
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    
  
  public void addOne() 
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try 
      value = 1 + get(); ①
     finally 
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    
  

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四、公平锁与非公平锁

在使用 ReentrantLock 的时候，你会发现 ReentrantLock 这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入 fair 参数的构造函数。

fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

//无参构造函数：默认非公平锁
public ReentrantLock() 
    sync = new NonfairSync();

//根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair)
    sync = fair ? new FairSync() 
                : new NonfairSync();

在《多线程原语：管程》中，介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。

• 如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；

• 如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

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五、用锁的最佳实践

用锁虽然能解决很多并发问题，但是风险也是挺高的。

可能会导致死锁，也可能影响性能。

这方面有是否有相关的最佳实践呢？有，还很多。

最值得推荐的是并发大师 Doug Lea《Java 并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践，它们分别是：

1. 永远只在更新对象的成员变量时加锁
2. 永远只在访问可变的成员变量时加锁
3. 永远不在调用其他对象的方法时加锁

这三条规则，前两条估计你一定会认同，最后一条你可能会觉得过于严苛。

但是还是倾向于去遵守，因为调用其他对象的方法，实在是太不安全了，也许“其他”方法里面有线程 sleep() 的调用，也可能会有奇慢无比的 I/O 操作，这些都会严重影响性能。

更可怕的是，“其他”类的方法可能也会加锁，然后双重加锁就可能导致死锁。

并发问题，本来就难以诊断，所以你一定要让你的代码尽量安全，尽量简单，哪怕有一点可能会出问题，都要努力避免。

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六、总结

Java SDK 并发包里的 Lock 接口里面的每个方法，你可以感受到，都是经过深思熟虑的。

除了支持类似 synchronized 隐式加锁的 lock() 方法外，还支持超时、非阻塞、可中断的方式获取锁，这三种方式为我们编写更加安全、健壮的并发程序提供了很大的便利。希望你以后在使用锁的时候，一定要仔细斟酌。

除了并发大师 Doug Lea 推荐的三个最佳实践外，你也可以参考一些诸如：

减少锁的持有时间、减小锁的粒度等业界广为人知的规则，其实本质上它们都是相通的，不过是在该加锁的地方加锁而已。

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知道 tryLock() 支持非阻塞方式获取锁，下面这段关于转账的程序就使用到了 tryLock()，来看看，它是否存在死锁问题呢？

class Account 
  private int balance;
  private final Lock lock
          = new ReentrantLock();
  // 转账
  void transfer(Account tar, int amt)
    while (true) 
      if(this.lock.tryLock()) 
        try 
          if (tar.lock.tryLock()) 
            try 
              this.balance -= amt;
              tar.balance += amt;
             finally 
              tar.lock.unlock();
            
          //if
         finally 
          this.lock.unlock();
        
      //if
    //while
  //transfer

不会出现死锁，但会出现活锁

A，B两账户相互转账，各自持有自己lock的锁，都一直在尝试获取对方的锁，形成了活锁

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