java 多线程之ReentrantLock与condition

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了java 多线程之ReentrantLock与condition相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

参考链接:https://blog.csdn.net/vernonzheng/article/details/8288251

ReentrantLock 类

 

1.1 什么是reentrantlock

 
java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象,它允许把锁定的实现作为 Java 类,而不是作为语言的特性来实现。这就为 Lock 的多种实现留下了空间,各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。 ReentrantLock 类实现了 Lock ,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外,它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。(换句话说,当许多线程都想访问共享资源时,JVM 可以花更少的时候来调度线程,把更多时间用在执行线程上。)
 
reentrant 锁意味着什么呢?简单来说,它有一个与锁相关的获取计数器,如果拥有锁的某个线程再次得到锁,那么获取计数器就加1,然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义;如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块,就允许线程继续进行,当线程退出第二个(或者后续) synchronized 块的时候,不释放锁,只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时,才释放锁。
 

1.2 ReentrantLock与synchronized的比较

 
 

相同:ReentrantLock提供了synchronized类似的功能和内存语义。

不同:

(1)ReentrantLock功能性方面更全面,比如时间锁等候,可中断锁等候,锁投票等,因此更有扩展性。在多个条件变量和高度竞争锁的地方,用ReentrantLock更合适,ReentrantLock还提供了Condition,对线程的等待和唤醒等操作更加灵活,一个ReentrantLock可以有多个Condition实例,所以更有扩展性。

(2)ReentrantLock 的性能比synchronized会好点。

(3)ReentrantLock提供了可轮询的锁请求,他可以尝试的去取得锁,如果取得成功则继续处理,取得不成功,可以等下次运行的时候处理,所以不容易产生死锁,而synchronized则一旦进入锁请求要么成功,要么一直阻塞,所以更容易产生死锁。

 

1.3 ReentrantLock扩展的功能

 

 

1.3.1 实现可轮询的锁请求 

 
在内部锁中,死锁是致命的——唯一的恢复方法是重新启动程序,唯一的预防方法是在构建程序时不要出错。而可轮询的锁获取模式具有更完善的错误恢复机制,可以规避死锁的发生。 
如果你不能获得所有需要的锁,那么使用可轮询的获取方式使你能够重新拿到控制权,它会释放你已经获得的这些锁,然后再重新尝试。可轮询的锁获取模式,由tryLock()方法实现。此方法仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。如果锁可用,则获取锁,并立即返回值true。如果锁不可用,则此方法将立即返回值false。此方法的典型使用语句如下: 
  1.  
    Lock lock = ...;
  2.  
    if (lock.tryLock()) {
  3.  
    try {
  4.  
    // manipulate protected state
  5.  
    } finally {
  6.  
    lock.unlock();
  7.  
    }
  8.  
    } else {
  9.  
    // perform alternative actions
  10.  
    }

1.3.2 实现可定时的锁请求 

 
当使用内部锁时,一旦开始请求,锁就不能停止了,所以内部锁给实现具有时限的活动带来了风险。为了解决这一问题,可以使用定时锁。当具有时限的活 
动调用了阻塞方法,定时锁能够在时间预算内设定相应的超时。如果活动在期待的时间内没能获得结果,定时锁能使程序提前返回。可定时的锁获取模式,由tryLock(long, TimeUnit)方法实现。 

1.3.3 实现可中断的锁获取请求 

 
可中断的锁获取操作允许在可取消的活动中使用。lockInterruptibly()方法能够使你获得锁的时候响应中断。

 

 

1.4 ReentrantLock不好与需要注意的地方

 
(1) lock 必须在 finally 块中释放。否则,如果受保护的代码将抛出异常,锁就有可能永远得不到释放!这一点区别看起来可能没什么,但是实际上,它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁,可能会在程序中留下一个定时炸弹,当有一天炸弹爆炸时,您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步,JVM 将确保锁会获得自动释放
(2) 当 JVM 用 synchronized 管理锁定请求和释放时,JVM 在生成线程转储时能够包括锁定信息。这些对调试非常有价值,因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。 Lock 类只是普通的类,JVM 不知道具体哪个线程拥有 Lock 对象。
 

二、条件变量Condition

 

条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

条件(也称为条件队列 或条件变量)为线程提供了一个含义,以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前,一直挂起该线程(即让其“等待”)。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中,所以它必须受保护,因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是:以原子方式 释放相关的锁,并挂起当前线程,就像 Object.wait 做的那样。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定,而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock中提到,获取一个条件变量的方法是Lock.newCondition()。

 

  1.  
    void await() throws InterruptedException;
  2.  
     
  3.  
    void awaitUninterruptibly();
  4.  
     
  5.  
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
  6.  
     
  7.  
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
  8.  
     
  9.  
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
  10.  
     
  11.  
    void signal();
  12.  
     
  13.  
    void signalAll();


 

以上是Condition接口定义的方法,await*对应于Object.waitsignal对应于Object.notifysignalAll对应于Object.notifyAll。特别说明的是Condition的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll的语义和使用上混淆,因为Condition同样有wait/notify/notifyAll方法。

每一个Lock可以有任意数据的Condition对象,Condition是与Lock绑定的,所以就有Lock的公平性特性:如果是公平锁,线程为按照FIFO的顺序从Condition.await中释放,如果是非公平锁,那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。

一个使用Condition实现生产者消费者的模型例子如下。

 

  1.  
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
  2.  
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
  3.  
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4.  
     
  5.  
    public class ProductQueue<T> {
  6.  
     
  7.  
    private final T[] items;
  8.  
     
  9.  
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
  10.  
     
  11.  
    private Condition notFull = lock.newCondition();
  12.  
     
  13.  
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
  14.  
     
  15.  
    //
  16.  
    private int head, tail, count;
  17.  
     
  18.  
    public ProductQueue(int maxSize) {
  19.  
    items = (T[]) new Object[maxSize];
  20.  
    }
  21.  
     
  22.  
    public ProductQueue() {
  23.  
    this(10);
  24.  
    }
  25.  
     
  26.  
    public void put(T t) throws InterruptedException {
  27.  
    lock.lock();
  28.  
    try {
  29.  
    while (count == getCapacity()) {
  30.  
    notFull.await();
  31.  
    }
  32.  
    items[tail] = t;
  33.  
    if (++tail == getCapacity()) {
  34.  
    tail = 0;
  35.  
    }
  36.  
    ++count;
  37.  
    notEmpty.signalAll();
  38.  
    } finally {
  39.  
    lock.unlock();
  40.  
    }
  41.  
    }
  42.  
     
  43.  
    public T take() throws InterruptedException {
  44.  
    lock.lock();
  45.  
    try {
  46.  
    while (count == 0) {
  47.  
    notEmpty.await();
  48.  
    }
  49.  
    T ret = items[head];
  50.  
    items[head] = null;//GC
  51.  
    //
  52.  
    if (++head == getCapacity()) {
  53.  
    head = 0;
  54.  
    }
  55.  
    --count;
  56.  
    notFull.signalAll();
  57.  
    return ret;
  58.  
    } finally {
  59.  
    lock.unlock();
  60.  
    }
  61.  
    }
  62.  
     
  63.  
    public int getCapacity() {
  64.  
    return items.length;
  65.  
    }
  66.  
     
  67.  
    public int size() {
  68.  
    lock.lock();
  69.  
    try {
  70.  
    return count;
  71.  
    } finally {
  72.  
    lock.unlock();
  73.  
    }
  74.  
    }
  75.  
     
  76.  
    }


 

在这个例子中消费take()需要 队列不为空,如果为空就挂起(await()),直到收到notEmpty的信号;生产put()需要队列不满,如果满了就挂起(await()),直到收到notFull的信号。

可能有人会问题,如果一个线程lock()对象后被挂起还没有unlock,那么另外一个线程就拿不到锁了(lock()操作会挂起),那么就无法通知(notify)前一个线程,这样岂不是“死锁”了?

 

2.1 await* 操作

 

上一节中说过多次ReentrantLock是独占锁,一个线程拿到锁后如果不释放,那么另外一个线程肯定是拿不到锁,所以在lock.lock()lock.unlock()之间可能有一次释放锁的操作(同样也必然还有一次获取锁的操作)。我们再回头看代码,不管take()还是put(),在进入lock.lock()后唯一可能释放锁的操作就是await()了。也就是说await()操作实际上就是释放锁,然后挂起线程,一旦条件满足就被唤醒,再次获取锁!

 

  1.  
    public final void await() throws InterruptedException {
  2.  
    if (Thread.interrupted())
  3.  
    throw new InterruptedException();
  4.  
    Node node = addConditionWaiter();
  5.  
    int savedState = fullyRelease(node);
  6.  
    int interruptMode = 0;
  7.  
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
  8.  
    LockSupport.park(this);
  9.  
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
  10.  
    break;
  11.  
    }
  12.  
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
  13.  
    interruptMode = REINTERRUPT;
  14.  
    if (node.nextWaiter != null)
  15.  
    unlinkCancelledWaiters();
  16.  
    if (interruptMode != 0)
  17.  
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
  18.  
    }


 

上面是await()的代码片段。上一节中说过,AQS在获取锁的时候需要有一个CHL的FIFO队列,所以对于一个Condition.await()而言,如果释放了锁,要想再一次获取锁那么就需要进入队列,等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的:

    1. 将当前线程加入Condition锁队列。特别说明的是,这里不同于AQS的队列,这里进入的是Condition的FIFO队列。后面会具体谈到此结构。进行2。
    2. 释放锁。这里可以看到将锁释放了,否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
    3. 自旋(while)挂起,直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
    4. 获取锁(acquireQueued)。并将自己从Condition的FIFO队列中释放,表明自己不再需要锁(我已经拿到锁了)。

这里再回头介绍Condition的数据结构。我们知道一个Condition可以在多个地方被await*(),那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来,然后根据需要唤醒一个或者多个(通常是所有)。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。

 

  1.  
    private transient Node firstWaiter;
  2.  
    private transient Node lastWaiter;

 

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点(Node)数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了!nextWaiter就是将一系列的Condition.await*串联起来组成一个FIFO的队列。

 

2.2 signal/signalAll 操作

 

await*()清楚了,现在再来看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求,就是要将Condition.await*()中FIFO队列中第一个Node唤醒(或者全部Node)唤醒。尽管所有Node可能都被唤醒,但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁,其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待,就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

 

  1.  
    private void doSignal(Node first) {
  2.  
    do {
  3.  
    if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
  4.  
    lastWaiter = null;
  5.  
    first.nextWaiter = null;
  6.  
    } while (!transferForSignal(first) &&
  7.  
    (first = firstWaiter) != null);
  8.  
    }
  9.  
     
  10.  
    private void doSignalAll(Node first) {
  11.  
    lastWaiter = firstWaiter = null;
  12.  
    do {
  13.  
    Node next = first.nextWaiter;
  14.  
    first.nextWaiter = null;
  15.  
    transferForSignal(first);
  16.  
    first = next;
  17.  
    } while (first != null);
  18.  
    }


 

上面的代码很容易看出来,signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程,而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

 

  1.  
    final boolean transferForSignal(Node node) {
  2.  
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
  3.  
    return false;
  4.  
     
  5.  
    Node p = enq(node);
  6.  
    int c = p.waitStatus;
  7.  
    if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
  8.  
    LockSupport.unpark(node.thread);
  9.  
    return true;
  10.  
    }


 

上面就是唤醒一个await*()线程的过程,根据前面的小节介绍的,如果要unpark线程,并使线程拿到锁,那么就需要线程节点进入AQS的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前调用了enq(node)操作,将当前节点加入到AQS队列。

 

















以上是关于java 多线程之ReentrantLock与condition的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock

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