并发技术12线程锁技术的使用

Posted 2020-12-21

线程锁好比传统线程模型中的 synchronized 技术，但是比 synchronized 方式更加面向对象，与生活中的锁类似，锁本身也应该是个对象。两个线程执行的代码片段如果要实现同步互斥的效果，它们必须用用一个锁对象。锁是上在代表要做操的资源的类的内部方法中，而不是线程代码中。这篇文章主要总结一下线程锁技术中 Lock锁、ReadWriteLock 锁的使用。

1. Lock的简单使用

有了synchronized 的基础，Lock 就比较简单了，首先看一个实例： 

public class LockTest {

   public static void main(String[] args) {

       new LockTest().init();
   }

   private void init() {
       final Outputer outputer = new Outputer();
       // 线程1打印：duoxiancheng
       new Thread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               while (true) {
                   try {
                       Thread.sleep(5);
                   } catch (InterruptedException e) {
                       // TODO Auto-generated catch block
                       e.printStackTrace();
                   }
                   outputer.output("duoxiancheng");
               }

           }
       }).start();
       ;

       // 线程2打印：eson15
       new Thread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               while (true) {
                   try {
                       Thread.sleep(5);
                   } catch (InterruptedException e) {
                       // TODO Auto-generated catch block
                       e.printStackTrace();
                   }
                   outputer.output("eson15");
               }

           }
       }).start();
       ;
   }

   // 自定义一个类，保存锁和待执行的任务
   static class Outputer {
       Lock lock = new ReentrantLock(); //定义一个锁，Lock是个接口，需实例化一个具体的Lock
       //字符串打印方法，一个个字符的打印
       public void output(String name) {

           int len = name.length();
           lock.lock();
           try {
               for (int i = 0; i < len; i++) {
                   System.out.print(name.charAt(i));
               }
               System.out.println("");
           } finally {
               lock.unlock(); //try起来的原因是万一一个线程进去了然后挂了或者抛异常了，那么这个锁根本没有释放
           }
       }
}

这个例子和前面介绍 synchronized 的例子差不多，区别在于将 synchronized 改成了 lock。从程序中可以看出，使用 Lock 的时候，需要先 new 一个 Lock 对象，然后在线程任务中需要同步的地方上锁，但是一定要记得放锁，所以使用 try 块去处理了一下，将放锁的动作放在 finally 块中了。

这是一个线程任务的情况，如果两个线程任务也不麻烦，还是在这个类中新建一个任务方法，因为 Lock 是这个类的成员变量，还是可以用这个 lock，而且必须用这个 lock，因为要实现同步互斥，必须使用同一把锁。

2. 读写锁的妙用

锁又分为读锁和写锁，读锁与读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，这是由 jvm 自己控制的。这很好理解，读嘛，大家都能读，不会对数据造成修改，只要涉及到写，那就可能出问题。我们写代码的时候只要在挣钱的位置上相应的锁即可。读写锁有个接口叫 ReadWriteLock，我们可以创建具体的读写锁实例，通过读写锁也可以拿到读锁和写锁。下面看一下读写锁的例子。

2.1 读写锁的基本用法

public class ReadWriteLockTest {

   public static void main(String[] args) {
       final Queue3 q3 = new Queue3(); //封装共享的数据、读写锁和待执行的任务的类

       for (int i = 0; i < 3; i++) {
           new Thread() { // 开启三个线程写数据
               public void run() {
                   while (true) {
                       q3.put(new Random().nextInt(10000));
                   }
               }
           }.start();

           new Thread() { // 开启三个线程读数据
               public void run() {
                   while (true) {
                       q3.get();
                   }
               }
           }.start();
       }
   }
}

class Queue3 {

   private Object data = null; // 共享的数据
   private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();// 定义读写锁

   // 读取数据的任务方法
   public void get() {
       rwl.readLock().lock(); // 上读锁
       try {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                   + ":before read: " + data); // 读之前打印数据显示

           Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000)); // 睡一会儿~

           System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                   + ":after read: " + data); // 读之后打印数据显示
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       } finally {
           rwl.readLock().unlock();// 释放读锁
       }
   }

   // 写数据的任务方法
   public void put(Object data) {
       rwl.writeLock().lock(); // 上写锁
       try {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                   + ":before write: " + this.data); // 读之前打印数据显示

           Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000)); // 睡一会儿~
           this.data = data; //写数据

           System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                   + ":after write: " + this.data); // 读之后打印数据显示
       } catch (InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       } finally {
           rwl.writeLock().unlock();// 释放写锁        
       }
   }
}

为了说明读锁和写锁的特点（读锁和读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥），我先把上面两个任务方法中上锁和放锁的四行代码注释掉，来看一下运行结果。

其实不管是注释调读锁还是注释调写锁，还是全注释掉，都会出问题，写的时候会有线程去读。那么将读写锁加上后，再看一下运行结果。

可以看出，有了读写锁，各个线程运行有序，从结果来看，也印证了读锁和读锁不互斥，写锁与读锁、写锁都互斥的特点。

2.2 读写锁用于缓存数据

现在使用读写锁写一个模拟缓存数据的 demo，实现功能如下：现在有5个线程都需要拿数据，一开始是没有数据的，所以最先去拿数据的那个线程发现没数据，它就得去初始化一个数据，然后其他线程拿数据的时候就可以直接拿了。代码如下。

public class ReadWriteLockTest2 {

   public static void main(String[] args) {

       CacheData cache = new CacheData();

       for(int i = 1; i <= 5; i ++) { //开启5个线程
           new Thread(new Runnable() {

               @Override
               public void run() {
                   cache.processCache(); //都去拿数据
               }
           }).start();
       }
   }
}

class CacheData {

   private Object data = null; // 需要缓存的数据
   private boolean cacheValid; //用来标记是否有缓存数据
   private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();// 定义读写锁

   public void processCache() {
       rwl.readLock().lock(); //上读锁

       if(!cacheValid) { //如果没有缓存，那说明是第一次访问，需要给data赋个值
           rwl.readLock().unlock(); //先把读锁释放掉
           rwl.writeLock().lock(); //上写锁
           if(!cacheValid) {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": no cache!");
               data = new Random().nextInt(1000); //赋值
               cacheValid = true; //标记已经有缓存了
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": already cached!");
           }
           rwl.readLock().lock(); //再把读锁上上
           rwl.writeLock().unlock(); //把刚刚上的写锁释放掉
       }
       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get data: " + data);
       rwl.readLock().unlock(); //释放读锁
   }
}

从代码中可以看出，在 processCache 方法中对读锁和写锁的交替使用。一开始进来都是读数据的，所以一开始都是上了读锁，但是当第一个线程进来发现没有缓存数据的时候，它得写数据，那么此时它得先把读锁给释放掉，换了把写锁，告诉其他线程：“哥们，这里面根本没数据啊，我们被坑了，让我先弄个数据来吧，你们等会儿~”，等该线程初始化好了数据后，其他线程就可以读了，于是它又把读锁装起来了，把写锁释放了，然后它出去了。这就模拟了拿缓存数据的一个 demo，可以看出，在一个方法中，同一个线程可以操作两个锁的。看一下运行结果。

Thread-1: no cache!
Thread-1: already cached!
Thread-1 get data: 893
Thread-0 get data: 893
Thread-2 get data: 893

这和 Hibernate 中的那个 load(id, Class.class) 方法有点类似，先拿到的是代理对象，要使用该对象的时候，如果发现没有，就新产生一个，如果有了就直接拿来用。

2.3 读写锁用于缓存系统

继续进阶，如果现在要缓存多个数据，即要写一个缓存系统，那该如何做呢？一个缓存系统无非就是一个容器，可以存储很多缓存数据，很自然的想到使用一个 Map，专门装缓存数据，然后供多个线程去使用。所以整个涉及思路，跟上面缓存单个数据是一样的，不过就是多考了一些东西而已，看下代码。

public class CacheDemo {

   public static void main(String[] args) {

       Cache cac = new Cache();
       for(int i = 0; i < 3; i ++) { //开启三个线程去缓存中拿key为cache1的数据，
           new Thread(new Runnable() {

               @Override
               public void run() {
                   String value = (String) cac.getData("cache1"); //第一个进入的线程要先写一个数据进去（相当于第一次从数据库中取）    
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + value);    
               }
           }).start();
       }

       for(int i = 0; i < 3; i ++) { //开启三个线程去缓存中拿key为cacahe2的数据
           new Thread(new Runnable() {

               @Override
               public void run() {
                   String value = (String) cac.getData("cache2");//第一个进入的线程要先写一个数据进去（相当于第一次从数据库中取）
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + value);
               }
           }).start();
       }
   }
}

class Cache {
   //存储缓存数据的Map，注意HashMap是非线程安全的，也要进行同步操作
   private Map<String, Object> cache = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, Object>()); 
   private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); //定义读写锁

   public synchronized Object getData(String key) {
       rwl.readLock().lock(); //上读锁
       Object value = null; 
       try {
           value = cache.get(key); //根据key从缓存中拿数据
           if (value == null) { //如果第一次那该key对应的数据，拿不到
               rwl.readLock().unlock(); //释放读锁
               rwl.writeLock().lock(); //换成写锁
               try {
                   if (value == null) { //之所以再去判断，是为了防止几个线程同时进入了上面那个if，然后一个个都来重写赋值一遍
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " write cache for " + key);
                       value = "aaa" + System.currentTimeMillis(); // 实际中是去数据库中取，这里只是模拟
                       cache.put(key, value); //放到缓存中
                       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has already written cache!");
                   }
               } finally {
                   rwl.writeLock().unlock(); //写完了释放写锁
               }
               rwl.readLock().lock(); //换读锁
           }
       } finally {
           rwl.readLock().unlock(); //最后呢释放读锁
       }
       return value; //返回要取的数据
   }
}

整个代码的结构和上面的一样，理解了缓存单个数据后，这个代码也不难理解。这里只是个 demo，实际中可以是跟数据库打交道，第一次从缓存中拿肯定是没有的，那么就要去数据库中查，然后把取到的数据放到缓存中，下次别的线程来就能直接从缓存中取了。看一下运行结果。

Thread-0 write cache for cache1
Thread-0 has already written cache!
Thread-4 write cache for cache2
Thread-0: aaa1464782404722
Thread-4 has already written cache!
Thread-4: aaa1464782404723
Thread-3: aaa1464782404723
Thread-2: aaa1464782404722
Thread-1: aaa1464782404722
Thread-5: aaa1464782404723

从结果中可以看出，线程 0 首先去缓存中拿 key 为 cache1 的值，没拿到，往里面写了一个，然后线程 4 去缓存中拿 key 为 cache2 的值也没拿到，于是也写了一个，在此期间线程 0 把值拿了出来，后面几个线程也随后陆续的拿出来了。读写锁的应用还是很广泛的，而且很好用，就总结这么多吧。

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