浅谈Java并发中ReentrantLock锁应该怎么用
作者：Shockang
重入锁可以替代关键字 synchronized 。
在 JDK5.0 的早期版本中，重入锁的性能远远优于关键字 synchronized ，
但从 JDK6.0 开始， JDK 在关键字 synchronized 上做了大量的优化，使得两者的性能差距并不大。
重入锁使用 ReentrantLock 实现
1、重入锁
package com.shockang.study.java.concurrent.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockDemo implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static int i = 0;
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
lock.lock();
lock.lock();
try {
i++;
} finally {
lock.unlock();
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLockDemo tl = new ReentrantLockDemo();
Thread t1 = new Thread(tl);
Thread t2 = new Thread(tl);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
控制台打印
20000000
说明
一个线程连续两次获得同一把锁是允许的。
如果不允许这么操作，那么同一个线程在第 2 次获得锁时，将会和自己产生死锁。
程序就会“卡死”在第 2 次申请锁的过程中。
但需要注意的是，如果同一个线程多次获得锁，那么在释放锁的时候，也必须释放相同次数。
如果释放锁的次数多了，那么会得到一个 java.lang.IllegalMonitorStateException 异常，反之，如果释放锁的次数少了，那么相当于线程还持有这个锁，因此，其他线程也无法进入临界区。
2、中断响应
对于关键字 synchronized 来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种情况，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保持等待。
而使用重入锁，则提供另外一种可能，那就是线程可以被中断。
也就是在等待锁的过程中，程序可以根据需要取消对锁的请求。
有些时候，这么做是非常有必要的。
比如，你和朋友约好一起去打球，如果你等了半个小时朋友还没有到，你突然接到一个电话，说由于突发情况，朋友不能如约前来了，那么你一定扫兴地打道回府了。
中断正是提供了一套类似的机制。
如果一个线程正在等待锁，那么它依然可以收到一个通知，被告知无须等待，可以停止工作了。
这种情况对于处理死锁是有一定帮助的。
下面的代码产生了一个死锁，但得益于锁中断，我们可以很轻易地解决这个死锁。
package com.shockang.study.java.concurrent.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class IntLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
/**
* 控制加锁顺序，方便构造死锁
*
* @param lock
*/
public IntLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
if (lock == 1) {
lock1.lockInterruptibly();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
}
lock2.lockInterruptibly();
} else {
lock2.lockInterruptibly();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
}
lock1.lockInterruptibly();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread())
lock1.unlock();
if (lock2.isHeldByCurrentThread())
lock2.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":线程退出");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
IntLock r1 = new IntLock(1);
IntLock r2 = new IntLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(1000);
//中断其中一个线程
t2.interrupt();
}
}
控制台输出
java.lang.InterruptedException
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:898)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1222)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
at com.shockang.study.java.concurrent.lock.IntLock.run(IntLock.java:35)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
11:线程退出
12:线程退出
说明
线程 t1 和 t2 启动后， t1 先占用 lock1 ，再占用 lock2。
t2 先占用 lock2 ，再请求 lock1。
因此，很容易形成 t1 和 t2 之间的相互等待。
在这里，对锁的请求，统一使用 lockInterruptibly() 方法。
这是一个可以对中断进行响应的锁申请动作，即在等待锁的过程中，可以响应中断。
在代码第 56 行，主线程 main 处于休眠状态，此时，这两个线程处于死锁的状态。
在代码第 58 行，由于 t2 线程被中断，故 t2 会放弃对 lock1 的申请，同时释放已获得的 lock2 。
这个操作导致 t1 线程可以顺利得到 lock2 而继续执行下去。
3、锁申请等待限时
除了等待外部通知之外，要避免死锁还有另外一种方法，那就是限时等待。
依然以约朋友打球为例，如果朋友退退不来，又无法联系到他，那么在等待 1 到 2 个小时后，我想大部分人都会扫兴离去。
对线程来说也是这样。
通常，我们无法判断为什么一个线程退迟拿不到锁。
也许是因为死锁了，也许是因为产生了饥饿。
如果给定一个等待时间，让线程自动放弃，那么对系统来说是有意义的。
我们可以使用 tryLock() 方法进行一次限时的等待。
tryLock(long, TimeUnit)
下面这段代码展示了限时等待锁的使用。
package com.shockang.study.java.concurrent.lock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TimeLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
try {
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
Thread.sleep(6000);
} else {
System.out.println("get lock failed");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
TimeLock tl = new TimeLock();
Thread t1 = new Thread(tl);
Thread t2 = new Thread(tl);
t1.start();
t2.start();
}
}
控制台打印
get lock failed
Exception in thread "Thread-1" java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
at com.shockang.study.java.concurrent.lock.TimeLock.run(TimeLock.java:20)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
说明
在这里， tryLock() 方法接收两个参数，一个表示等待时长，另外一个表示计时单位。
这里的单位设置为秒，时长为 5 ，表示线程在这个锁请求中最多等待 5 秒。
如果超过 5 秒还没有得到锁，就会返回 false 。
如果成功获得锁，则返回 true 。
在本例中，由于占用锁的线程会持有锁长达 6 秒，故另一个线程无法在 5 秒的等待时间内获得锁，因此请求锁会失败。
tryLock()
ReentrantLock.tryLock() 方法也可以不带参数直接运行。
在这种情况下，当前线程会尝试获得锁，如果锁并未被其他线程占用，则申请锁会成功，并立即返回 true 。
如果锁被其他线程占用，则当前线程不会进行等待，而是立即返回 false 。
这种模式不会引起线程等待，因此也不会产生死锁。
package com.shockang.study.java.concurrent.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TryLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
public TryLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
if (lock == 1) {
while (true) {
if (lock1.tryLock()) {
try {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
}
if (lock2.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread()
.getId() + ":My Job done");
return;
} finally {
lock2.unlock();
}
}
} finally {
lock1.unlock();
}
}
}
} else {
while (true) {
if (lock2.tryLock()) {
try {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
}
if (lock1.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread()
.getId() + ":My Job done");
return;
} finally {
lock1.unlock();
}
}
} finally {
lock2.unlock();
}
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TryLock r1 = new TryLock(1);
TryLock r2 = new TryLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
}
}
控制台输出
11:My Job done
12:My Job done
说明
上述代码采用了非常容易死锁的加锁顺序。
也就是先让 t1 获得 lock1 ，再让 2 获得 lock2 ，接着做反向请求，让 t1 申请 lock2 ， t2 申请 lock1 。
在一般情况下，这会导致 t1 和 2 相互等待。
待，从而引起死锁。
但是使用 tryLock() 方法后，这种情况就大大改善了。
由于线程不会傻傻地等待，而是不停地尝试，因此，只要执行足够长的时间，线程总是会得到所有需要的资源，从而正常执行(这里以线程同时获得 lock1 和 lock2 两把锁，作为其可以正常执行的条件)。
在同时获得 lock1 和 lock2 后，线程就打印出标志着任务完成的信息“ My Job done”。
4、公平锁
在大多数情况下，锁的申请都是非公平的。
也就是说，线程 1 首先请求了锁 A ，接着线程 2 也请求了锁 A 。
那么当锁 A 可用时，是线程 1 可以获得锁还是线程 2 可以获得锁呢？
这是不一定的，系统只是会从这个锁的等待队列中随机挑选一个。
因此不能保证其公平性。
这就好比买票不排队，大家都围在售票窗口前，售票员忙得焦头烂额，也顾不及谁先谁后，随便找个人出票就完事了。
而公平的锁，则不是这样，它会按照时间的先后顺序，保证先到者先得，后到者后得。
公平锁的一大特点是:它不会产生饥饿现象。
关于线程饥饿请参考我的博客——死锁、活锁和饥饿是什么意思？
只要你排队，最终还是可以等到资源的。
如果我们使用 synchronized 关键字进行锁控制，那么产生的锁就是非公平的。
而重入锁允许我们对其公平性进行设置。
它的构造函数如下：
/**
* 使用给定的公平策略创建一个 ReentrantLock 的实例。
*
* @param fair 如果此锁应使用公平排序策略为 true
*/
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
当参数 fair 为 true 时，表示锁是公平的。
公平锁看起来很优美，但是要实现公平锁必然要求系统维护一个有序队列，因此公平锁的实现成本比较高，性能却非常低下，因此，在默认情况下，锁是非公平的。
如果没有特别的需求，则不需要使用公平锁。
公平锁和非公平锁在线程调度表现上也是非常不一样的。
下面的代码可以很好地突出公平锁的特点。
package com.shockang.study.java.concurrent.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class FairLock implements Runnable {
public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
fairLock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得锁");
} finally {
fairLock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
FairLock r1 = new FairLock();
Thread t1 = new Thread(r1, "Thread_t1");
Thread t2 = new Thread(r1, "Thread_t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
控制台输出
获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
# 省略
说明
由于代码会产生大量输出，这里只截取部分进行说明。
在这个输出中，很明显可以看到，两个线程基本上是交替获得锁的，几乎不会发生同一个线程连续多次获得锁的可能，从而保证了公平性。
如果设置了 false，则会根据系统的调度，一个线程会倾向于再次获取已经持有的锁，这种分配方式是高效的，但是无公平性可言。
源码（JDK8）
/**
* 一种可重入互斥锁，其基本行为和语义与使用同步方法和语句访问的隐式监视锁（即 synchronized）相同，但具有扩展功能。
*
* 可重入锁属于上次成功锁定但尚未解锁它的线程。
*
* 当锁不属于另一个线程时，调用锁的线程将返回，并成功获取锁。
*
* 如果当前线程已经拥有锁，则该方法将立即返回。这可以使用 isHeldByCurrentThread 和 getHoldCount 方法进行检查。
*
* 此类的构造函数接受可选的公平性参数。
*
* 当设置为 true 时，在竞争状态下，锁有利于向等待时间最长的线程授予访问权限。否则，此锁不保证任何特定的访问顺序。
*
* 使用由多线程访问的公平锁的程序可能显示较低的总吞吐量
*
* （即，较慢；通常比使用默认设置的要慢得多，但是在获得锁和保证不饥饿的时间上有较小的差异。
*
* 但是请注意，锁的公平性并不能保证线程调度的公平性。
*
* 因此，使用公平锁的多个线程中的一个线程可以连续多次获得公平锁，而其他活动线程则没有进行并且当前没有持有该锁。
*
* 还要注意，untimed tryLock() 方法不支持公平性设置。
*
* 如果锁可用，即使其他线程正在等待，它也会成功。
*
* 建议的做法是总是在调用之后立即使用try块锁定，最典型的是在构建之前/之后，例如：
*
* class X {
* private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
* // ...
*
* public void m() {
* lock.lock(); // block until condition holds
* try {
* // ... method body
* } finally {
* lock.unlock()
* }
* }
* }}
*
* 除了实现锁接口之外，这个类还定义了许多公共和受保护的方法来检查锁的状态。
*
* 其中一些方法只对 instrumentation 和 monitoring 有用。
*
* 此类的序列化与内置锁的行为相同：反序列化的锁处于未锁定状态，而与序列化时的状态无关。
*
* 此锁最多支持同一线程的2147483647个递归锁。尝试超过此限制会导致锁定方法抛出错误。
*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable
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