Java多线程学习之Lock与ReentranLock详解

Posted 2020-10-14

　　synchronized 是内置锁，而Lock 接口定义的是显示锁，Lock 提供了一种可重入的、可轮询的、定时的以及可中断的锁获取操作。

　　ReenTranLock实现了Lock接口，并提供了与synchronized 相同的互斥性和内存可见性。在获取ReentranLock时，有着与进入同步代码块相同的内存语义，在释放ReentranLock时，有着与退出同步代码块相同的语义。

1、Lock 方法分析

1 public interface Lock {
2     void lock();
3     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
4     Condition newCondition();
5     boolean tryLock();
6     boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
7     void unlock();
8 }

1. lock()：获得Lock锁
2. lockInterruptibly()：获得锁，可被中断
3. newCondition()：返回一个条件Condition对象
4. tryLock()：尝试获得锁
5. tryLock(long time, TimeUnit unit)：尝试在一定时间内获得锁，期间被阻塞
6. unlock()：释放锁

Lock 接口使用的标准形式：

 1 // 创建锁
 2 Lock lock = new ReentranLock();
 3 ...
 4   
 5 lock.lock();
 6 try{
 7     // 进行必要操作
 8       // 捕获异常，并在必要时恢复不变性条件
 9 }finally{
10   //释放锁
11   lock.unlock();
12 }

　　注意，使用Lock时一定要在finally语句里面释放锁，否则发生异常时可能会导致锁无法被释放，导致程序奔溃。

2、轮询锁和定时锁

　　相比于synchronized内置锁的无条件锁获取模式，Lock提供了tryLock() 实现可定时和可轮询的锁获取模式，这也使Lock具有更完善的错误恢复机制。在内置锁中，死锁是一个很严重的问题，造成死锁的原因之一可能是，锁获取顺序不一致导致程序死锁。比如说，线程1持有A对象锁，正在等待获取B对象锁；线程2持有B对象锁，正在等待获取A对象锁。这样，两个线程都会由于获取不到想要的锁而陷入死锁的境地。解决办法可以是，两个线程要么同时获取两个锁，要么一个锁都不获取。Lock 的可定时和可轮询锁就可以很好的满足该条件，从而避免死锁的发生（即操作系统中著名的哲学家进餐问题）。

　　下面代码要实现统计两个资源的数量总和操作：使用tryLock尝试同时获取两个资源的锁，如果不能同时获取两个资源的锁，则退出重试。如果在规定时间内不能同时获取两对象的锁并完成操作，则返回-1作为失败的标识。

 1 // 资源类
 2 public class Resource {
 3     //资源总和
 4     private int resourceNum;
 5     // 显示锁
 6     public Lock lock = new ReentrantLock();
 7 
 8     public Resource(int resourceNum){
 9         this.resourceNum = resourceNum;
10     }
11     //返回此资源的总量
12     public int getResourceNum(){
13         return resourceNum;
14     }
15 }

 

 1 public class LockTest1 {
 2       //传入两个资源类和预期操作时间，在此期间内返回两个资源的数量总和
 3     public int getResource(Resource resourceA, Resource resourceB, long timeout, TimeUnit unit)
 4           throws InterruptedException {
 5         // 获取当前时间，算出操作截止时间
 6         long stopTime = System.nanoTime() + unit.toNanos(timeout);
 7 
 8         while(true){
 9             try {
10                 // 尝试获得资源A的锁
11                 if (resourceA.lock.tryLock()) {
12                     try{
13                         // 如果获得资源A的锁，尝试获得资源B的锁
14                         if(resourceB.lock.tryLock()){
15                             //同时获得两资源的锁，进行相关操作后返回
16                             return getSum(resourceA, resourceB);
17                         }
18                     }finally {
19                         resourceB.lock.unlock();
20                     }
21                 }
22             }finally {
23                 resourceA.lock.unlock();
24             }
25           
26             // 判断当前是否超时，规定-1为错误标识
27             if(System.nanoTime() > stopTime)
28                 return -1;
29             
30             //睡眠1秒，继续尝试获得锁
31             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
32         }
33     }
34     
35     // 获得资源总和
36     public int getSum(Resource resourceA,Resource resourceB){
37         return resourceA.getResourceNum()+resourceB.getResourceNum();
38     }
39 }

　　对于内置锁，在开始请求后，这个操作将无法在规定时间内取消或是中途中断 ，因此内置锁很难实现带时间限制的操作。

3、响应速度和性能的权衡

　　在上代码中，每次尝试获取两个锁失败，都会调用 TimeUnit.SECONDS.sleep(1);  让线程休眠一秒后，再去尝试获得两个资源锁。这里涉及到一个性能和响应时间的问题：

1. 如果每次尝试后都让线程休眠，可能会造成响应迟延的问题。比如，在这次失败进入休眠的瞬间，两个锁的状态刚好变为可用，但线程必须要休眠完成后才能再次尝试。但是，休眠的同时可以不占用CPU时钟周期，可以让其他线程有时间来占用CPU。
2. 如果不休眠，让线程在一次获取锁失败后立即进行下一轮获取尝试，可以获得很好的响应速度，但是这也会让线程长时间占用CPU时钟周期直到成功获得两个锁。如果该锁在很长时间后才都可用，这会造成CPU资源浪费，服务器性能降低。

因此，需要在响应速度和服务器性能之间做出权衡。

4、可中断的锁获取操作

　　Lock中的lockInterruptibly() 可以在获得锁的同时保持对中断的响应，但是内置锁synchronized却很难实现这个功能。

　　如下程序，创建一任务，假设该任务需要执行很长时间才能结束（使用死循环来模拟时长）。现在有两个线程竞争该资源的内置锁，在等待一段时间后，想要终止线程t2的锁获取等待操作，使用t2.interrupt(); 尝试中断线程t2。遗憾的是，此时t2根本不会响应这个中断操作，它会继续等待直到获得资源锁。

 1 public class InterruptedLockTest implements Runnable{
 2     public synchronized void doCount(){
 3         //使用死循环表示此操作要进行很长的一段时间才能结束
 4         while(true){}
 5     }
 6 
 7     @Override
 8     public void run() {
 9         doCount();
10     }
11 }

 

 1 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 2         InterruptedLockTest test = new InterruptedLockTest();
 3 
 4         Thread t1 = new Thread(test);
 5         Thread t2 = new Thread(test);
 6 
 7         t1.start();
 8         t2.start();
 9 
10           //等待两秒，尝试中断线程t2的等待
11         TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
12         t2.interrupt();
13 
14         //等待1秒，让 t2.interrupt(); 执行生效
15         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
16         System.out.println("线程t1是否存活：" + t1.isAlive());
17         System.out.println("线程t2是否存活：" + t2.isAlive());
18     }

　　使用Lock的lockInterruptibly() 能够在获取锁请求的同时能保持对中断的响应。

 1 public class InterruptedLockTest2 implements Runnable{
 2     Lock lock = new ReentrantLock();
 3 
 4     public void doCount() throws InterruptedException {
 5         //可中断的锁等待机制，会抛出中断异常
 6         lock.lockInterruptibly();
 7         try {
 8             while (true) {}
 9         }finally {
10             lock.unlock();
11         }
12     }
13 
14     @Override
15     public void run() {
16         try {
17             doCount();
18         } catch (InterruptedException e) {
19             System.out.println("被中断....");
20         }
21     }
22 }

 1 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 2     InterruptedLockTest2 test = new InterruptedLockTest2();
 3 
 4     Thread t1 = new Thread(test);
 5     Thread t2 = new Thread(test);
 6 
 7     t1.start();
 8     t2.start();
 9 
10     TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
11     t2.interrupt();
12 
13     //等待1秒，让 t2.interrupt(); 执行生效
14     TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
15     System.out.println("线程t1是否存活：" + t1.isAlive());
16     System.out.println("线程t2是否存活：" + t2.isAlive());
17 }

5、公平性

　　ReentranLock 提供了两种公平性的悬着：创建一个非公平锁（默认）或者创建一个非公平锁。在公平锁中，线程将按照他们发出请求的顺序来获得锁，非公平锁上则允许“插队”；如果一个线程在请求非公平锁时，如果此时该状态刚好变为可用，则该线程可能会直接获得该锁。

1 // 也可以指定公平性
2 public ReentrantLock(boolean fair) {
3     sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
4 }
5 //默认创建非公平锁
6 public ReentrantLock() {
7       sync = new NonfairSync();
8 }

　　在公平性的ReentranLock中，如果有一个线程在持有这个锁或是有线程在阻塞队列中等待这个锁，那么新请求的线程会被放入队列中等待。非公平性锁中，只当锁被某个线程占领时，才会把新请求的线程放入阻塞队列中。

　　在竞争激烈的环境中，公平性锁的性能会比非公平性锁差很多。如果没有特殊的需求，不推荐使用公平锁，因为在公平锁中，恢复一个被挂起的线程与该线程真正开始执行之间存在严重的迟延。假如线程A持有一个锁，线程B请求这个锁，由于这个锁已经被持有，所以B会放入阻塞对类中。如果A释放该锁，B将被唤醒，一次会尝试再次请求该锁。与此同时，如果线程C也请求该锁，那么C很可能在B被完全唤醒之前持有、使用和释放该锁。这样，B既没有延迟使用该锁，C还利用其中间隙完成自己的操作，这是一个双赢的局面。

6、如何选择synchronized和ReentranLock

　　在Java6中，ReentranLock性能略有胜出synchronized。但是，使用ReentranLock需要在finally语句中手动释放锁，可能会造成一定的编码失误。并且，synchronized使用JVM的内置属性，可提升优化的空间较大。

　　因此，只有在内置锁无法满足需求的情况下，比如，需要使用：可定时的、可轮询的和可中断的锁获取机制，公平队列。才会考虑使用ReentranLock。否则，优先使用synchronized内置锁。