帶你了解什么是重入鎖

JDK中獨占鎖的實現(xiàn)除了使用關(guān)鍵字synchronized外,還可以使用ReentrantLock。雖然在性能上ReentrantLock和synchronized沒有什么區(qū)別，但ReentrantLock相比synchronized而言功能更加豐富，使用起來更為靈活，也更適合復(fù)雜的并發(fā)場景。

兩者的相同點

ReentrantLock是獨占鎖且可重入的

例子

public class ReentrantLockTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            lock.lock();
        }

        for(int i=1;i<=3;i++){
            try {

            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

上面的代碼通過lock()方法先獲取鎖三次，然后通過unlock()方法釋放鎖3次，程序可以正常退出。從上面的例子可以看出，ReentrantLock是可以重入的鎖,當(dāng)一個線程獲取鎖時,還可以接著重復(fù)獲取多次。在加上ReentrantLock的的獨占性，我們可以得出以下ReentrantLock和synchronized的相同點。

• ReentrantLock和synchronized都是獨占鎖,只允許線程互斥的訪問臨界區(qū)。但是實現(xiàn)上兩者不同：synchronized加鎖解鎖的過程是隱式的,用戶不用手動操作,優(yōu)點是操作簡單，但顯得不夠靈活。一般并發(fā)場景使用synchronized的就夠了；ReentrantLock需要手動加鎖和解鎖,且解鎖的操作盡量要放在finally代碼塊中,保證線程正確釋放鎖。ReentrantLock操作較為復(fù)雜，但是因為可以手動控制加鎖和解鎖過程,在復(fù)雜的并發(fā)場景中能派上用場。
• ReentrantLock和synchronized都是可重入的。synchronized因為可重入因此可以放在被遞歸執(zhí)行的方法上,且不用擔(dān)心線程最后能否正確釋放鎖；而ReentrantLock在重入時要確保保重復(fù)獲取鎖的次數(shù)必須和重復(fù)釋放鎖的次數(shù)一樣，否則可能導(dǎo)致其他線程無法獲得該鎖。

兩者的額外功能

ReentrantLock可以實現(xiàn)公平鎖

公平鎖是指當(dāng)鎖可用時,在鎖上等待時間最長的線程將獲得鎖的使用權(quán)。而非公平鎖則隨機分配這種使用權(quán)。和synchronized一樣，默認的ReentrantLock實現(xiàn)是非公平鎖,因為相比公平鎖，非公平鎖性能更好。當(dāng)然公平鎖能防止饑餓,某些情況下也很有用。在創(chuàng)建ReentrantLock的時候通過傳進參數(shù)true創(chuàng)建公平鎖,如果傳入的是false或沒傳參數(shù)則創(chuàng)建的是非公平鎖

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

繼續(xù)跟進看下源碼

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

可以看到公平鎖和非公平鎖的實現(xiàn)關(guān)鍵在于成員變量sync的實現(xiàn)不同,這是鎖實現(xiàn)互斥同步的核心。以后有機會我們再細講。

一個公平鎖的例子

public class ReentrantLockTest {

    static Lock lock = new ReentrantLock(true);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(new ThreadDemo(i)).start();
        }

    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Integer id;

        public ThreadDemo(Integer id) {
            this.id = id;
        }

        @Override

      public void run() {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            for(int i=0;i<2;i++){
                lock.lock();
                System.out.println("獲得鎖的線程："+id);
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

公平鎖結(jié)果

我們開啟5個線程,讓每個線程都獲取釋放鎖兩次。為了能更好的觀察到結(jié)果,在每次獲取鎖前讓線程休眠10毫秒。可以看到線程幾乎是輪流的獲取到了鎖。如果我們改成非公平鎖,再看下結(jié)果

非公平鎖結(jié)果

線程會重復(fù)獲取鎖。如果申請獲取鎖的線程足夠多,那么可能會造成某些線程長時間得不到鎖。這就是非公平鎖的“饑餓”問題。

公平鎖和非公平鎖該如何選擇？

大部分情況下我們使用非公平鎖，因為其性能比公平鎖好很多。

但是公平鎖能夠避免線程饑餓，某些情況下也很有用。

ReentrantLock可響應(yīng)中斷

當(dāng)使用synchronized實現(xiàn)鎖時,阻塞在鎖上的線程除非獲得鎖否則將一直等待下去，也就是說這種無限等待獲取鎖的行為無法被中斷。而ReentrantLock給我們提供了一個可以響應(yīng)中斷的獲取鎖的方法lockInterruptibly()。該方法可以用來解決死鎖問題。

響應(yīng)中斷的例子：

public class ReentrantLockTest {
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new ThreadDemo(lock1, lock2));//該線程先獲取鎖1,再獲取鎖2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//該線程先獲取鎖2,再獲取鎖1
        thread.start();
        thread1.start();
        thread.interrupt();//是第一個線程中斷
    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Lock firstLock;
        Lock secondLock;
        public ThreadDemo(Lock firstLock, Lock secondLock) {
            this.firstLock = firstLock;
            this.secondLock = secondLock;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                firstLock.lockInterruptibly();
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);//更好的觸發(fā)死鎖
                secondLock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                firstLock.unlock();
                secondLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正常結(jié)束!");
            }
        }
    }
}

結(jié)果：

構(gòu)造死鎖場景:

創(chuàng)建兩個子線程,子線程在運行時會分別嘗試獲取兩把鎖。其中一個線程先獲取鎖1在獲取鎖2，另一個線程正好相反。

如果沒有外界中斷，該程序?qū)⑻幱谒梨i狀態(tài)永遠無法停止。我們通過使其中一個線程中斷，來結(jié)束線程間毫無意義的等待。被中斷的線程將拋出異常，而另一個線程將能獲取鎖后正常結(jié)束。

3.3 獲取鎖時限時等待

ReentrantLock還給我們提供了獲取鎖限時等待的方法tryLock(),可以選擇傳入時間參數(shù),表示等待指定的時間,無參則表示立即返回鎖申請的結(jié)果:true表示獲取鎖成功,false表示獲取鎖失敗。我們可以使用該方法配合失敗重試機制來更好的解決死鎖問題。

更好的解決死鎖的例子：

public class ReentrantLockTest {
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new ThreadDemo(lock1, lock2));//該線程先獲取鎖1,再獲取鎖2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//該線程先獲取鎖2,再獲取鎖1
        thread.start();
        thread1.start();
    }

    static class ThreadDemo implements Runnable {
        Lock firstLock;
        Lock secondLock;
        public ThreadDemo(Lock firstLock, Lock secondLock) {
            this.firstLock = firstLock;
            this.secondLock = secondLock;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                while(!lock1.tryLock()){
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                }
                while(!lock2.tryLock()){
                    lock1.unlock();
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                firstLock.unlock();
                secondLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正常結(jié)束!");
            }
        }
    }
}

結(jié)果：

線程通過調(diào)用tryLock()方法獲取鎖,第一次獲取鎖失敗時會休眠10毫秒,然后重新獲取，直到獲取成功。第二次獲取失敗時,首先會釋放第一把鎖,再休眠10毫秒,然后重試直到成功為止。線程獲取第二把鎖失敗時將會釋放第一把鎖，這是解決死鎖問題的關(guān)鍵,避免了兩個線程分別持有一把鎖然后相互請求另一把鎖。

結(jié)合Condition實現(xiàn)等待通知機制

使用synchronized結(jié)合Object上的wait和notify方法可以實現(xiàn)線程間的等待通知機制。ReentrantLock結(jié)合Condition接口同樣可以實現(xiàn)這個功能。而且相比前者使用起來更清晰也更簡單。

Condition使用簡介

Condition由ReentrantLock對象創(chuàng)建,并且可以同時創(chuàng)建多個

static Condition notEmpty = lock.newCondition();

static Condition notFull = lock.newCondition();

Condition接口在使用前必須先調(diào)用ReentrantLock的lock()方法獲得鎖。之后調(diào)用Condition接口的await()將釋放鎖,并且在該Condition上等待,直到有其他線程調(diào)用Condition的signal()方法喚醒線程。使用方式和wait,notify類似。

一個使用condition的簡單例子:

public class ConditionTest {

    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    static Condition condition = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        lock.lock();
        new Thread(new SignalThread()).start();
        System.out.println("主線程等待通知");
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println("主線程恢復(fù)運行");
    }
    static class SignalThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                condition.signal();
                System.out.println("子線程通知");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

運行結(jié)果：

使用Condition實現(xiàn)簡單的阻塞隊列

阻塞隊列是一種特殊的先進先出隊列,它有以下幾個特點 1.入隊和出隊線程安全 2.當(dāng)隊列滿時,入隊線程會被阻塞;當(dāng)隊列為空時,出隊線程會被阻塞。

阻塞隊列的簡單實現(xiàn)：

public class MyBlockingQueue<E> {

    int size;//阻塞隊列最大容量

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    LinkedList<E> list=new LinkedList<>();//隊列底層實現(xiàn)

    Condition notFull = lock.newCondition();//隊列滿時的等待條件
    Condition notEmpty = lock.newCondition();//隊列空時的等待條件

    public MyBlockingQueue(int size) {
        this.size = size;
    }

    public void enqueue(E e) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() ==size)//隊列已滿,在notFull條件上等待
                notFull.await();
            list.add(e);//入隊:加入鏈表末尾
            System.out.println("入隊：" +e);
            notEmpty.signal(); //通知在notEmpty條件上等待的線程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public E dequeue() throws InterruptedException {
        E e;
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == 0)//隊列為空,在notEmpty條件上等待
                notEmpty.await();
            e = list.removeFirst();//出隊:移除鏈表首元素
            System.out.println("出隊："+e);
            notFull.signal();//通知在notFull條件上等待的線程
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

測試代碼

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    MyBlockingQueue<Integer> queue = new MyBlockingQueue<>(2);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        int data = i;
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    queue.enqueue(data);
                } catch (InterruptedException e) {

                }
            }
        }).start();

    }
    for(int i=0;i<10;i++){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Integer data = queue.dequeue();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

}

運行結(jié)果：

總結(jié)

ReentrantLock是可重入的獨占鎖。比起synchronized功能更加豐富，支持公平鎖實現(xiàn)，支持中斷響應(yīng)以及限時等待等等。可以配合一個或多個Condition條件方便的實現(xiàn)等待通知機制。

好了，今天就分享這么多。