java中Locks的使用详解

时间：2020-11-13 09:18:05|栏目：JAVA代码|点击：次

之前文章中我们讲到，java中实现同步的方式是使用synchronized block。在java 5中，Locks被引入了，来提供更加灵活的同步控制。

本文将会深入的讲解Lock的使用。

Lock和Synchronized Block的区别

我们在之前的Synchronized Block的文章中讲到了使用Synchronized来实现java的同步。既然Synchronized Block那么好用，为什么会引入新的Lock呢？

主要有下面几点区别：

synchronized block只能写在一个方法里面，而Lock的lock()和unlock()可以分别在不同的方法里面。
synchronized block 不支持公平锁，一旦锁被释放，任何线程都有机会获取被释放的锁。而使用 Lock APIs则可以支持公平锁。从而让等待时间最长的线程有限执行。
使用synchronized block，如果线程拿不到锁，将会被Blocked。 Lock API 提供了一个tryLock() 的方法，可以判断是否可以获得lock，这样可以减少线程被阻塞的时间。
当线程在等待synchronized block锁的时候，是不能被中断的。如果使用Lock API，则可以使用 lockInterruptibly()来中断线程。

Lock interface

我们来看下Lock interface的定义, Lock interface定义了下面几个主要使用的方法：

void lock() - 尝试获取锁，如果获取不到锁，则会进入阻塞状态。
void lockInterruptibly() - 和lock（）很类似，但是它可以将正在阻塞的线程中断，并抛出java.lang.InterruptedException。
boolean tryLock() ?C 这是lock()的非阻塞版本，它回尝试获取锁，并立刻返回是否获取成功。
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit) ?C 和tryLock()很像，只是多了一个尝试获取锁的时间。
void unlock() ?C unlock实例。
Condition newCondition() - 生成一个和当前Lock实例绑定的Condition。

在使用Lock的时候，一定要unlocked，以避免死锁。所以，通常我们我们要在try catch中使用：

Lock lock = ...; 
lock.lock();
try {
  // access to the shared resource
} finally {
  lock.unlock();
}

除了Lock接口，还有一个ReadWriteLock接口，在其中定义了两个方法，实现了读锁和写锁分离：

Lock readLock() ?C 返回读锁
Lock writeLock() ?C 返回写锁

其中读锁可以同时被很多线程获得，只要不进行写操作。写锁同时只能被一个线程获取。

接下来，我们几个Lock的常用是实现类。

ReentrantLock

ReentrantLock是Lock的一个实现，什么是ReentrantLock（可重入锁）呢？

简单点说可重入锁就是当前线程已经获得了该锁，如果该线程的其他方法在调用的时候也需要获取该锁，那么该锁的lock数量+1，并且允许进入该方法。

不可重入锁：只判断这个锁有没有被锁上，只要被锁上申请锁的线程都会被要求等待。实现简单
可重入锁：不仅判断锁有没有被锁上，还会判断锁是谁锁上的，当就是自己锁上的时候，那么他依旧可以再次访问临界资源，并把加锁次数加一。

我们看下怎么使用ReentrantLock：

  public void perform() {

    lock.lock();
    try {
      counter++;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

下面是使用tryLock（）的例子：

  public void performTryLock() throws InterruptedException {
    boolean isLockAcquired = lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);

    if(isLockAcquired) {
      try {
        counter++;
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }
  }

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock的一个实现。上面也讲到了ReadWriteLock主要有两个方法：

Read Lock - 如果没有线程获得写锁，那么可以多个线程获得读锁。
Write Lock - 如果没有其他的线程获得读锁和写锁，那么只有一个线程能够获得写锁。

我们看下怎么使用writeLock：

  Map<String,String> syncHashMap = new HashMap<>();
  ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

  Lock writeLock = lock.writeLock();

  public void put(String key, String value) {
    try {
      writeLock.lock();
      syncHashMap.put(key, value);
    } finally {
      writeLock.unlock();
    }
  }

  public String remove(String key){
    try {
      writeLock.lock();
      return syncHashMap.remove(key);
    } finally {
      writeLock.unlock();
    }
  }

再看下怎么使用readLock：

  Lock readLock = lock.readLock();
  public String get(String key){
    try {
      readLock.lock();
      return syncHashMap.get(key);
    } finally {
      readLock.unlock();
    }
  }

  public boolean containsKey(String key) {
    try {
      readLock.lock();
      return syncHashMap.containsKey(key);
    } finally {
      readLock.unlock();
    }
  }

StampedLock

StampedLock也支持读写锁，获取锁的是会返回一个stamp，通过该stamp来进行释放锁操作。

上我们讲到了如果写锁存在的话，读锁是无法被获取的。但有时候我们读操作并不想进行加锁操作，这个时候我们就需要使用乐观读锁。

StampedLock中的stamped类似乐观锁中的版本的概念，当我们在
StampedLock中调用lock方法的时候，就会返回一个stamp，代表锁当时的状态，在乐观读锁的使用过程中，在读取数据之后，我们回去判断该stamp状态是否变化，如果变化了就说明该stamp被另外的write线程修改了，这说明我们之前的读是无效的，这个时候我们就需要将乐观读锁升级为读锁，来重新获取数据。

我们举个例子，先看下write排它锁的情况：

  private double x, y;
  private final StampedLock sl = new StampedLock();

  void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
    long stamp = sl.writeLock();
    try {
      x += deltaX;
      y += deltaY;
    } finally {
      sl.unlockWrite(stamp);
    }
  }

再看下乐观读锁的情况：

  double distanceFromOrigin() { // A read-only method
    long stamp = sl.tryOptimisticRead();
    double currentX = x, currentY = y;
    if (!sl.validate(stamp)) {
      stamp = sl.readLock();
      try {
        currentX = x;
        currentY = y;
      } finally {
        sl.unlockRead(stamp);
      }
    }
    return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
  }

上面使用tryOptimisticRead（）来尝试获取乐观读锁，然后通过sl.validate(stamp)来判断该stamp是否被改变，如果改变了，说明之前的read是无效的，那么需要重新来读取。

最后，StampedLock还提供了一个将read锁和乐观读锁升级为write锁的功能：

  void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
    // Could instead start with optimistic, not read mode
    long stamp = sl.readLock();
    try {
      while (x == 0.0 && y == 0.0) {
        long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
        if (ws != 0L) {
          stamp = ws;
          x = newX;
          y = newY;
          break;
        }
        else {
          sl.unlockRead(stamp);
          stamp = sl.writeLock();
        }
      }
    } finally {
      sl.unlock(stamp);
    }
  }

上面的例子是通过使用tryConvertToWriteLock(stamp)来实现升级的。

Conditions

上面讲Lock接口的时候有提到其中的一个方法：

Condition newCondition();

Condition提供了await和signal方法，类似于Object中的wait和notify。

不同的是Condition提供了更加细粒度的等待集划分。我们举个例子：

public class ConditionUsage {
  final Lock lock = new ReentrantLock();
  final Condition notFull = lock.newCondition();
  final Condition notEmpty = lock.newCondition();

  final Object[] items = new Object[100];
  int putptr, takeptr, count;

  public void put(Object x) throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
      while (count == items.length)
        notFull.await();
      items[putptr] = x;
      if (++putptr == items.length) putptr = 0;
      ++count;
      notEmpty.signal();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

  public Object take() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
      while (count == 0)
        notEmpty.await();
      Object x = items[takeptr];
      if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
      --count;
      notFull.signal();
      return x;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }
}

上面的例子实现了一个ArrayBlockingQueue，我们可以看到在同一个Lock实例中，创建了两个Condition，分别代表队列未满，队列未空。通过这种细粒度的划分，我们可以更好的控制业务逻辑。

本文的例子可以参考https://github.com/ddean2009/learn-java-concurrency/tree/master/Locks

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本文标题：java中Locks的使用详解

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