Java并发-显式锁篇可重入锁+读写锁

Posted 2021-05-25 汤圆学Java

作者：汤圆

个人博客：javalover.cc

前言

在前面并发的开篇，我们介绍过内置锁synchronized；

这节我们再介绍下显式锁Lock

显式锁包括：可重入锁ReentrantLock、读写锁ReadWriteLock

关系如下所示：

简介

显式锁和内置锁最大的区别就是：显式锁需手动获取锁和释放锁，而内置锁不需要

关于显式锁，本节会分别介绍可它的实现类 - 可重入锁，以及它的相关类 - 读写锁

• 可重入锁，实现了显式锁，意思就是可重入的显式锁（内置锁也是可重入的）

• 读写锁，将显式锁分为读写分离，即读读可并行，多个线程同时读不会阻塞（读写，写写还是串行）

下面让我们开始吧

文章如果有问题，欢迎大家批评指正，在此谢过啦

目录

1. 可重入锁 ReentrantLock
2. 读写锁 ReadWriteLock
3. 区别

正文

1.可重入锁 ReentrantLock

我们先来看下它的几个方法：

• public ReentrantLock();构造函数，默认构造非公平的锁（可插队，如果某个线程获取锁时，刚好锁被释放，那么这个线程就会立马获得锁，而不管队列里的线程是否在等待）

• public void lock()：获取锁，以阻塞的方式（如果其他线程持有锁，则阻塞当前线程，直到锁被释放）；

• public void lockInterruptibly() throws InterruptedException：获取锁，以可被中断的方式（如果当前线程被中断，则抛出中断异常）；

• public boolean tryLock(): 尝试获取锁，如果锁被其他线程持有，则立马返回false

• public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException:尝试获取锁，并设置一个超时时间（如果超过这个时间，还没获取到锁，则返回false）

• public void unlock(): 释放锁

首先我们先看下它的构造方法，内部实现如下：

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

可以看到，这里创建了一个非公平锁

公平锁：如果获取锁时，被其他线程持有，则将当前线程放入等待队列

非公平锁：如果获取锁时，刚好锁被释放，那么这个线程就会立马获得锁，而不管队列里的线程是否在等待

非公平锁的好处就是，可以减少线程的挂起和唤醒开销

如果某个线程的执行任务所需时间很短，甚至比唤醒队列中的线程所消耗的时间还短，那么非公平锁的优势就很明显

我们可以假设这样一个情景：

• 线程A的任务执行耗时为10ms
• 而唤醒队列中的线程B到执行真正去执行线程B的任务耗时为20ms
• 那么当线程A去获取锁时，刚好锁又被释放，此时线程A抢先获得锁，并执行任务，然后释放锁
• 当线程A释放锁之后，队列中当线程B才被唤醒正要去获取锁，那么线程B被唤醒的这段时间CPU就没有被浪费，从而提高了程序的性能

这也是为啥默认是非公平锁的原因（一般情况下，非公平锁的性能高于公平锁）

那什么时候应该用公平锁呢？

• 持有锁的时间较长，即线程的任务执行耗时较长
• 请求锁的时间间隔较长

因为这种情况下，如果线程插队获取到锁，结果任务还半天执行不完，那么队列中被唤醒的线程醒来发现锁还是被占有的，就会被再次放到队列中（此时并不会提高性能，还有可能降低）

接下来我们看下关键的部分：获取锁

获取锁有多个方法，我们用代码来看下他们之间的区别

1. 先来看下lock()方法，示例代码如下：

public class ReentrantLockDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private int i = 0;

    public void add(){
        lock.lock();
        try {
            i++;
        }finally {
            System.out.println(i);
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(()->{
                demo.add();
            });
        }
    }
}

依次输出1～100，这是因为lock()获取锁时，会以阻塞的方式来获取

2. 接下来看下 tryLock()方法，代码如下：

public class ReentrantLockDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private int i = 0;

    public void tryAdd(){
        if(lock.tryLock()){
            try {
                i++;
            }finally {
                System.out.println(i);
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(()->{
                demo.tryAdd();
            });
        }
    }
}

运行发现，输出永远都少于100，是因为tryLock()如果获取锁失败，会立马返回false，而不是阻塞等待

3. 最后我们来看下lockInterruptibly()方法，它也是阻塞获取锁，只是比lock()多了个中断异常，即获取锁时，如果线程被中断，则抛出中断异常

public class ReentrantLockDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private int i = 0;

    public void interruptAdd(){
        try {
            lock.lockInterruptibly();
            i++;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
						// 第10次，立马关闭线程池，停止所有的线程（包括正在执行的和正在等待的）
            if (10 == i){
                service.shutdownNow();
            }
            service.submit(()->{
                demo.interruptAdd();
            });
        }

    }
}

多运行几次，有可能输出如下：

1
2
3
4
5
6
6
6
6
6
java.lang.InterruptedException
	at 
......

这就是因为前面几个都是正常获取到锁并执行了i++,但是后面的几个线程因为被突然停止，所以抛出中断异常

4. 最后就是释放锁, unlock()

这个就很简单了，上面的代码都有涉及到这个释放锁

不过细心的朋友可能发现了，上面的unlock()都是在finally块中编写的

这是因为在获取锁并执行任务时，有可能抛出异常，此时如果不把unlock()放到finally块中，那么锁不被释放，这在后期是一个很大的隐患（其他线程无法再次获取到这个锁，如果是lock()形式的获取锁，则线程会一直阻塞）

这也是显式锁无法完全替代内置锁的一个原因，有危险

2. 读写锁 ReadWriteLock

读写锁内部就两个方法，分别返回读锁和写锁

读锁属于共享锁，而写锁属于独占锁（前面介绍的可重入锁和内置锁也是独占锁）

读锁允许多个线程同时获取一个锁，因为读不会修改数据，它很适合读多写少的场合

下面我们用代码来看下

先看下读锁，代码如下：

public class ReadWriteLockDemo {

    private int i = 0;
    private Lock readLock;
    private Lock writeLock;


    public ReadWriteLockDemo() {
        ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        this.readLock = lock.readLock();
        this.writeLock = lock.writeLock();
    }

    public void readFun(){
        readLock.lock();
        System.out.println("=== 获取到 读锁 ===");
        try {
            System.out.println(i);
        }finally {
            readLock.unlock();
            System.out.println("=== 释放了 读锁 ===");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReadWriteLockDemo demo = new ReadWriteLockDemo();
        ExecutorService executors = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executors.submit(()->{
                demo.readFun();
            });
        }
    }
}

多次运行，有可能输出下面的结果：

=== 获取到 读锁 ===
0
=== 获取到 读锁 ===

可以看到，两个线程都获取到了读锁，这就是读锁的优势，多个线程同时读

下面看下写锁，代码如下：（这里用到了ReentrantReadWriteLock类，表示可重入的读写锁）

public class ReadWriteLockDemo {

    private int i = 0;
    private Lock readLock;
    private Lock writeLock;

    public ReadWriteLockDemo() {
        ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        this.readLock = lock.readLock();
        this.writeLock = lock.writeLock();
    }

    public void writeFun(){
        writeLock.lock();
        System.out.println("=== 获取到 写锁 ===");
        try {
            i++;
            System.out.println(i);
        }finally {
            writeLock.unlock();
            System.out.println("=== 释放了 写锁 ===");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReadWriteLockDemo demo = new ReadWriteLockDemo();
        ExecutorService executors = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executors.submit(()->{
                demo.writeFun();
            });
        }
    }

}

输出如下：可以看到，写锁类似上面的重入锁的lock()方法，阻塞获取写锁

=== 获取到 写锁 ===1=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===2=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===3=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===4=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===5=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===6=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===7=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===8=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===9=== 释放了 写锁 ====== 获取到 写锁 ===10=== 释放了 写锁 ===

关于读写锁，需要注意的一点是，读锁和写锁必须基于同一个ReadWriteLock类才有意义

如果读锁和写锁分别是从两个ReadWrite Lock类中获取的，那么读锁和写锁就是完全无关的两个锁，也就不会起到锁的作用（阻止其他线程访问）

这就类似synchronized(a)和synchronized(b)，分别锁了两个对象，此时单个线程是可以同时访问这两个锁的

3. 区别

我们用表格来展示吧，细节如下：

锁的特点	内置锁	可重入锁	读写锁
灵活性	低	高	高
公平性	不确定	非公平（默认）+公平	非公平（默认）+公平
定时性	无	可定时	可定时
中断性	无	可中断	可中断
互斥性	互斥	互斥	读读共享，其他都互斥

建议优先选择内置锁，只有在内置锁满足不了需求时，再采用显式锁（比如可定时、可中断、公平性）

如果是读多写少的场景（比如配置数据），推荐用读写锁

总结

1. 可重入锁 ReentrantLock：需显式获取锁和释放锁，切记要在finally块中释放锁
2. 读写锁 ReadWriteLock：基于显式锁（显式锁有的它都有），多了读写分离，实现了读读共享（多个线程同时读），其他都不共享（读写，写写）
3. 区别：内置锁不支持手动获取/释放锁、公平性选择、定时、中断，显式锁支持

建议使用锁时，优先考虑内置锁

因为现在内置锁的性能跟显式锁差别不大

而且显式锁因为需要手动释放锁（需在finally块中释放），所以会有忘记释放的风险

如果是读多写少的场合，则推荐用读写锁（成对的读锁和写锁需从同一个读写锁类获取）

参考内容：

• 《Java并发编程实战》
• 《实战Java高并发》

后记

最后，祝愿所有人都心想事成，阖家欢乐