Java同步—线程锁和条件对象

Posted 2020-12-25 fill

线程锁和条件对象

在大多数多线程应用中，都是两个及以上线程需要共享对同一数据的存取，所以有可能出现两个线程同时访问同一个资源的情况，这种情况叫做：竞争条件。

在Java中为了解决并发的数据访问问题，一般使用锁这个概念来解决。

有几种机制防止代码收到并发访问的干扰：

1.synchronized关键字（自动创建一个锁及相关的条件）

2.ReentrantLock类+Java.util.concurrent包中的lock接口（在Java5.0的时候引入）

ReentrantLock的使用

 public void Method() {
        boolean flag = false;//标识条件
        ReentrantLock locker = new ReentrantLock();
        locker.lock();//开启线程锁
        try {
            //do some work...
        } catch (Exception ex) {

        } finally {
            locker.unlock();//解锁线程
        }
    }

locker.lock();
确保只有一个线程进入临界区，一旦一个线程进入之后，会获得锁对象，其他线程无法通过lock语句。当其他线程调用lock时，它们会被阻塞，知道第一个线程释放锁对象。

locker.unlock();
解锁操作，一定要放到finally里，因为如果try语句里出了问题，锁必须被释放，否则其他线程将永远被阻塞

因为系统会随机为线程分配资源，所以在线程获得锁对象之后，可能被系统剥夺运行权，这时候其他线程来访问，但是发现有锁，进不去，只能等拿到锁对象的线程把里面的代码执行完毕后，释放锁，第二个线程才能运行。

假设说做一个银行转账的功能，线程锁操作应该定义在银行类的转账方法里，因为这样每个银行对象都有一个锁对象，两个线程访问一个银行对象的时候，那么锁以串行方式提供服务。但是，如果每个线程访问不同的银行对象，每个线程都会得到不同的锁对象，彼此之间不会冲突，所以就不会造成不必要的线程阻塞。

锁是可重入的，线程可以重复获得已经持有的锁，锁通过一个持有数量计数来跟踪对lock方法的嵌套使用。

假设说，一个线程获得锁之后，要执行A方法，但是A方法里面又调用了B方法，这时候这个线程获得了两个锁对象，当线程执行B方法的时候，也会被锁死，防止其他线程乱入，当B方法执行完毕后，锁对象变成了一个，当A方法也执行完毕的时候，锁对象变成了0个，线程释放锁。

synchronized关键字

前面我们讲了ReentrantLock锁对象的使用，但是在系统里面我们不一定要使用ReentrantLock锁，Java中还提供了一个内部的隐式锁，关键字是synchronized.

举个例子:

public synchronized void Method() {
    //do some work...
}

只需要在返回值前面加上synchronized锁，就会实现上面ReentrantLock锁同样的效果.

Conditional条件对象

通常，线程拿到锁对象之后，却发现需要满足某一条件才能继续向下执行。

拿银行程序来举例子，我们需要转账方账户有足够的资金才能转出到目标账户，这时候需要用到ReentrantLock对象，因为如果我们已经完成转账方账户有足够的资金的判断之后，线程被其他线程中断，等其他线程执行完之后，转账方的钱又没有了足够的资金，这时候因为系统已经完成了判断，所以会继续向下执行，然后银行系统就会出现问题。

举例：

public void Transfer(int from, int to, double amount) {
    if (Accounts[from] > amount)//系统在结束判断之后被剥夺运行权,然后账户通过网银转出所有钱,银行凉凉
        DoTransfer(from, to, amount);
}

这时候我们就需要使用ReentrantLock对象了，我们修改一下代码：

public void Transfer(int from, int to, double amount) {
    ReentrantLock locker = new ReentrantLock();
    locker.lock();
    try {
        while (Accounts[from] < amount) {
            //等待有足够的钱
        }
        DoTransfer(from, to, amount);
    } catch (Exception ex) {
        ex.printStackTrace();
    } finally {
        locker.unlock();
    }
}

但是这样又有了问题，当前线程获取了锁对象之后，开始执行代码，发现钱不够，进入等待状态，然后其他线程又因为锁的原因无法给该账户转账，就会一直进入等待状态。

这个问题如何解决呢？

条件对象登场！

public void Transfer(int from, int to, double amount) {
    ReentrantLock locker = new ReentrantLock();
    Condition sufficientFunds = locker.newCondition();//条件对象，
    lock.lock();
    try {
        while (Accounts[from] < amount) {
            sufficientFunds.await();
            //等待有足够的钱
        }
        DoTransfer(from, to, amount);
        sufficientFunds.signalAll();
    } catch (Exception ex) {
        ex.printStackTrace();
    } finally {
        locker.unlock();
    }
}

条件对象的关键字是:Condition，一个锁对象可以有一个或多个相关的条件对象。可以通过锁对象.newCondition方法获得一个条件对象.

一般关于条件对象的命名需要能够反映它表达的条件的名字，所以在这里我们叫他sufficientFund，表示余额充足的意思。

在进入锁之前，我们创建一个条件，然后如果金额不足，在这里调用条件对象的await方法，通知系统当前线程进入挂起状态，让其他线程执行。这样你这次调用会被锁定，然后系统可以再次调用该方法给其他账户转账，当每一次转账完成后，执行转账操作的线程在底部调用signalAll通知所有线程可以继续运行了，因为我们有可能是转足够的钱给当前账户，这时候有可能该线程会继续执行（不一定是你，是通知所有线程，如果通知的线程还是不符合条件，会继续调用await方法，并完成转账操作，然后通知其他挂起的线程。

你说为啥不直接通知当前线程？不行，可以调用signal方法只通知一个线程，但是如果这个线程操作的账户还是没钱（不是转账给这个账户的情况），那这个线程又进入等待了，这时候已经没有线程能通知其他线程了，程序死锁，所以还是用signal比较保险。

以上是使用ReentrantLock+Condition对象，那你说我要是使用synchronized隐式锁怎么办？

也可以，而且不需要

public void Transfer(int from, int to, double amount) {
     while (Accounts[from] < amount) {
            wait();//这个wait方法是定义在Object类里面的，可以直接用，和条件对象的await一样，挂起线程
            //等待有足够的钱
        }
        DoTransfer(from, to, amount);
        notifyAll();//通知其他挂起的线程
}

Object类里面定义了wait、notifyAll、notify方法，对应await、signalAll和signal方法，用来操作隐式锁，synchronized只能有一个条件，而ReentrantLock显式声明的锁可以用绑定多个Condition条件.

同步块

除了我们上面讲的两种获取线程锁的方式，还有另外一种机制获得锁，这种方式比较特殊，叫做同步块:

Object locker = new Object();
synchronized (locker) {
    //do some work
}

//也可以直接锁当前类的对象
sychronized(this){
    //do some work
}

以上代码会获得Object类型locker对象的锁，这种锁是一个特殊的锁，在上面的代码中，创建这个Object类对象只是单纯用来使用其持有的锁.

这种机制叫做同步块，应用场景也很广：有的时候，我们并不是整个一个方法都需要同步，只是方法里的部分代码块需要同步，这种情况下，我们如果将这个方法声明为synchronized，尤其是方法很大的时候，会造成很大的资源浪费。所以在这种情况下我们可以使用synchronized关键字来声明同步块:

public void Method() {
    //do some work without synchronized
    synchronized (this) {
        //do some synchronized operation
    }
}

监视器的概念

锁和条件是同步中一个很重要的工具，但是它们并不是面向对象的。多年来，Java的研究人员努力寻找一种方法，可以在不需要考虑如何加锁的情况下，就能保证多线程的安全性。最成功的的一个解决方案叫做monitor监视器，这个对象内置于每一个Object变量中，相当于一个许可证。拿到许可证就可以进行操作，没有拿到则需要阻塞等待。

监视器具有以下特性:

1.监视器是只包含私有域的类

2.每个监视器对象都有一个相关的锁

3.使用监视器对象的锁对所有的方法进行加锁（举个例子:如果调用obj.Method方法，obj对象的锁会在方法调用的时候自动获得，当方法结束或返回之后会自动释放该锁。因为所有的域都是私有的，这样可以确保一个线程在操作类对象的时候，没有其他线程可以访问里面的域）

4.该锁对象可以有任意多个相关条件

你也可以自己创建一个监视器类，只要符合以上的要求即可。

其实我们使用的synchronized关键字就是使用了monitor来实现加锁解锁，所以又被称为内部锁。因为Object类实现了监视器，所以对象又被内置于任何一个对象之中。这就是我们为什么可以使用synchronized(locker)的方式锁定一个代码块了，其实只是用到了locker对象中内置的monitor而已。每一个对象的monitor类又是唯一的，所以就是唯一的许可证，拿到许可证的线程才可以执行，执行完后释放对象的monitor才可以被其他线程获取。

举个例子:

synchronized (this) {
    //do some synchronized operation
}

它在字节码文件中会被编译为:

monitorenter;//get monitor，enter the synchronized block
            //do some synchronized operation
monitorexit;//leavel the synchronized block,release the monitor