详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法
作者：skywangkw
Java多线程并发的程序中使用互斥锁有synchronized和ReentrantLock两种方式,这里我们来详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法:
0.关于互斥锁
所谓互斥锁, 指的是一次最多只能有一个线程持有的锁. 在jdk1.5之前, 我们通常使用synchronized机制控制多个线程对共享资源的访问. 而现在, Lock提供了比synchronized机制更广泛的锁定操作, Lock和synchronized机制的主要区别:
synchronized机制提供了对与每个对象相关的隐式监视器锁的访问, 并强制所有锁获取和释放均要出现在一个块结构中, 当获取了多个锁时, 它们必须以相反的顺序释放. synchronized机制对锁的释放是隐式的, 只要线程运行的代码超出了synchronized语句块范围, 锁就会被释放. 而Lock机制必须显式的调用Lock对象的unlock()方法才能释放锁, 这为获取锁和释放锁不出现在同一个块结构中, 以及以更自由的顺序释放锁提供了可能。
1. ReentrantLock介绍
ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。
顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。
ReentrantLock函数列表
// 创建一个 ReentrantLock ，默认是“非公平锁”。 ReentrantLock() // 创建策略是fair的 ReentrantLock。fair为true表示是公平锁，fair为false表示是非公平锁。 ReentrantLock(boolean fair) // 查询当前线程保持此锁的次数。 int getHoldCount() // 返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回 null。 protected Thread getOwner() // 返回一个 collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。 protected Collection<Thread> getQueuedThreads() // 返回正等待获取此锁的线程估计数。 int getQueueLength() // 返回一个 collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。 protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) // 返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。 int getWaitQueueLength(Condition condition) // 查询给定线程是否正在等待获取此锁。 boolean hasQueuedThread(Thread thread) // 查询是否有些线程正在等待获取此锁。 boolean hasQueuedThreads() // 查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。 boolean hasWaiters(Condition condition) // 如果是“公平锁”返回true，否则返回false。 boolean isFair() // 查询当前线程是否保持此锁。 boolean isHeldByCurrentThread() // 查询此锁是否由任意线程保持。 boolean isLocked() // 获取锁。 void lock() // 如果当前线程未被中断，则获取锁。 void lockInterruptibly() // 返回用来与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。 Condition newCondition() // 仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。 boolean tryLock() // 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁。 boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) // 试图释放此锁。 void unlock()
2. ReentrantLock示例
通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用
2.1 示例1
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
// LockTest1.java
// 仓库
class Depot {
private int size; // 仓库的实际数量
private Lock lock; // 独占锁
public Depot() {
this.size = 0;
this.lock = new ReentrantLock();
}
public void produce(int val) {
lock.lock();
try {
size += val;
System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, size);
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void consume(int val) {
lock.lock();
try {
size -= val;
System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, size);
} finally {
lock.unlock();
}
}
};
// 生产者
class Producer {
private Depot depot;
public Producer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
public void produce(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
// 消费者
class Customer {
private Depot depot;
public Customer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
public void consume(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
public class LockTest1 {
public static void main(String[] args) {
Depot mDepot = new Depot();
Producer mPro = new Producer(mDepot);
Customer mCus = new Customer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
运行结果：
Thread-0 produce(60) --> size=60 Thread-1 produce(120) --> size=180 Thread-3 consume(150) <-- size=30 Thread-2 consume(90) <-- size=-60 Thread-4 produce(110) --> size=50
结果分析：
(1) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。
(2) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(3) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(4) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！
这个模型存在两个问题：
(1) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！
(2) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！
这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。
2.2 示例2
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
// LockTest2.java
// 仓库
class Depot {
private int size; // 仓库的实际数量
private Lock lock; // 独占锁
public Depot() {
this.size = 0;
this.lock = new ReentrantLock();
}
public void produce(int val) {
// lock.lock();
// try {
size += val;
System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, size);
// } catch (InterruptedException e) {
// } finally {
// lock.unlock();
// }
}
public void consume(int val) {
// lock.lock();
// try {
size -= val;
System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, size);
// } finally {
// lock.unlock();
// }
}
};
// 生产者
class Producer {
private Depot depot;
public Producer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
public void produce(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
// 消费者
class Customer {
private Depot depot;
public Customer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
public void consume(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
public class LockTest2 {
public static void main(String[] args) {
Depot mDepot = new Depot();
Producer mPro = new Producer(mDepot);
Customer mCus = new Customer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
(某一次)运行结果：
Thread-0 produce(60) --> size=-60 Thread-4 produce(110) --> size=50 Thread-2 consume(90) <-- size=-60 Thread-1 produce(120) --> size=-60 Thread-3 consume(150) <-- size=-60
结果说明：
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。
2.3 示例3
在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
// LockTest3.java
// 仓库
class Depot {
private int capacity; // 仓库的容量
private int size; // 仓库的实际数量
private Lock lock; // 独占锁
private Condition fullCondtion; // 生产条件
private Condition emptyCondtion; // 消费条件
public Depot(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.size = 0;
this.lock = new ReentrantLock();
this.fullCondtion = lock.newCondition();
this.emptyCondtion = lock.newCondition();
}
public void produce(int val) {
lock.lock();
try {
// left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
int left = val;
while (left > 0) {
// 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
while (size >= capacity)
fullCondtion.await();
// 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
// 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
// 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
size += inc;
left -= inc;
System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
// 通知“消费者”可以消费了。
emptyCondtion.signal();
}
} catch (InterruptedException e) {
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void consume(int val) {
lock.lock();
try {
// left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
int left = val;
while (left > 0) {
// 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
while (size <= 0)
emptyCondtion.await();
// 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
// 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
// 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
int dec = (size<left) ? size : left;
size -= dec;
left -= dec;
System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
fullCondtion.signal();
}
} catch (InterruptedException e) {
} finally {
lock.unlock();
}
}
public String toString() {
return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
}
};
// 生产者
class Producer {
private Depot depot;
public Producer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
public void produce(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
// 消费者
class Customer {
private Depot depot;
public Customer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
public void consume(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
public class LockTest3 {
public static void main(String[] args) {
Depot mDepot = new Depot(100);
Producer mPro = new Producer(mDepot);
Customer mCus = new Customer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
(某一次)运行结果：
Thread-0 produce( 60) --> left= 0, inc= 60, size= 60 Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100 Thread-2 consume( 90) <-- left= 0, dec= 90, size= 10 Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size= 0 Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100 Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size= 0 Thread-4 produce(110) --> left= 0, inc= 10, size= 10 Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size= 0 Thread-1 produce(120) --> left= 0, inc= 80, size= 80 Thread-3 consume(150) <-- left= 0, dec= 30, size= 50