Lock锁的使用模板及API解释

比眉伴天荒 2022-05-29 12:55 150阅读 0赞

实现同步，我们可以使用 synchronized ，也可以使用 Java SE 5 之后新增的 Lock 接口。

## synchronized 和 Lock 的区别 ##

1）synchronized 是 Java 中的关键字；Lock 是个接口  
2）synchronized 在发生异常时，会自动释放锁；Lock 必须手动释放锁，应该使用 try…finally ，避免死锁  
3）Lock 等待锁的过程中可以使用 interrupt 中断等待；synchronized 不能响应中断  
4）Lock 可以判断当前线程是否获取到锁；synchronized 不能  
5）Lock 有多个子类，实现了多样化的锁

## Lock API ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法名称</th> 
   <th>描述</th> 
   <th>模板</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>void lock()</td> 
   <td>获取锁</td> 
   <td>lock.lock();try {} finally {lock.unlock();}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void lockInterruptibly() throws InterruptedException</td> 
   <td>调用lockInterruptibly获取锁的线程，在等待锁和在获取锁但还没获取到锁的一瞬间可以被其他线程中断。如果没有被其他线程中断，并且锁是空闲的，则成功获取到锁，获取到锁之后，即使其他线程调用了该线程的中断，也不会使线程中断</td> 
   <td>try { lock.lockInterruptibly();try{}finally{lock.unlock();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>boolean tryLock()</td> 
   <td>返回 true表示已获取到锁，返回 false表示不能获取到锁，此方法不会阻塞执行线程</td> 
   <td>if (lock.tryLock()){try {} finally {lock.unlock();}}else {}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>boolean tyrLock(long time,TimeUnit unit) throws InterruptedException</td> 
   <td>在超时时间内尝试获取锁，返回true表示已获取到锁，返回false表示不能获取到锁</td> 
   <td>同tryLock()</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void unlock</td> 
   <td>释放锁</td> 
   <td>没有获取锁而直接调用unlock会出现java.lang.IllegalMonitorStateException异常，针对上面获取锁的方式，一定要注意unlock的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Condition newCondition</td> 
   <td>获取等待通知组件，该组件与当前线程绑定，当前线程只有获得了锁，才能调用该组件的 await()方法和 signalAll()方法，功能与任意一个Java对象的wait()、wait(long timeout)、notify() 以及 notifyAll() 方法一致</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 阿里巴巴开发手册总结 ##

在使用**阻塞等待获取锁**的方式中，必须在 try 代码块之外，并且在**加锁方法与 try 代码块之间没有任何可能抛出异常的方法调用**，避免加锁成功后，在 finally 中无法解锁。  
说明一：如果在 lock 方法与 try 代码块之间的方法调用抛出异常，那么无法解锁，造成其它线程无法成功获取锁。  
说明二：如果 lock 方法在 try 代码块之内，可能由于其它方法抛出异常，导致在 finally 代码块中，unlock对未加锁的对象解锁，它会调用 AQS 的 tryRelease 方法（取决于具体实现类），抛出IllegalMonitorStateException 异常。  
说明三：在 Lock 对象的 lock 方法实现中可能抛出 unchecked 异常，产生的后果与说明二相同。  
正例：

Lock lock = new XxxLock();
    // ...
    lock.lock();
    try { 
    	doSomething();
    	doOthers();
    } finally { 
    	lock.unlock();
    }

反例：

Lock lock = new XxxLock();
    try { 
    	// 如果此处抛出异常，则直接执行 finally 代码块
    	doSomething();
    	// 无论加锁是否成功，finally 代码块都会执行
    	lock.lock();
    	doOthers();
    } finally { 
    	lock.unlock();
    }

在使用**尝试机制来获取锁**的方式中，进入业务代码块之前，必须先判断当前线程是否持有锁。锁的释放规则与锁的阻塞等待方式相同。  
说明：Lock 对象的 unlock 方法在执行时，它会调用 AQS 的 tryRelease 方法（取决于具体实现类），如果当前线程不持有锁，则抛出 IllegalMonitorStateException 异常。  
正例：

Lock lock = new XxxLock();
    // ...
    boolean isLocked = lock.tryLock();
    if (isLocked) { 
    	try { 
    		doSomething();
    		doOthers();
    	} finally { 
    		lock.unlock();
    	}
    }

## 重入锁 ##

重入锁 ReentrantLock，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。该锁还支持获取锁时的公平和非公平性选择。  
synchronized 关键字隐式的支持重进入，比如一个 synchronized 修饰的递归方法，在方法执行时，执行线程在获取了锁之后仍嫩连续多次地获得该锁。  
ReentrantLock 不是隐式的重进入，而是在调用 lock() 方法时，已经获取到锁的线程，能够再次调用 lock() 方法获取锁而不被阻塞。  
    公平和非公平选择是指，先对锁进行获取的请求一定先被满足，那么这个锁是公平的，反之，是不公平的。也可以说锁获取是有顺序的。ReentrantLock 提供了一个构造函数，能够控制锁是否是公平的。  
    事实上，公平的锁机制一般情况下没有非公平的效率高，但是公平锁能够保证等待越久的请求优先得到满足。

## 读写锁 ##

ReentrantLock 是排他锁，这表示锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读和一个写，通过分离读锁和写锁提升性能。  
    ReadWriteLock 接口仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，readLock() 和 writeLock() 。ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 的方法，并且提供了便于外界监控其内部工作状态的方法。

## Condition 接口 ##

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包 wait()、wait(long timeout)、notify() 以及 notifyAll() 方法，这些方法与 synchronized 同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition 接口也提供了类似 Object 的监视器方法，与 Lock 配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

## 基于 Lock 实现的生产者消费者 Demo ##

import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    public class ProducerConsumer {
    	public static void main(String[] args) {
    		Goods goods = new Goods();
    		new Thread(new Producer(goods), "生产者---01---").start();
    		new Thread(new Producer(goods), "生产者---02---").start();
    		new Thread(new Consumer(goods), "---消费者---01---").start();
    		new Thread(new Consumer(goods), "---消费者---02---").start();
    	}
    	static class Consumer implements Runnable {
    		private Goods goods;
    		public Consumer(Goods goods) {
    			this.goods = goods;
    		}
    		public void run() {
    			while (true) {
    				try {
    					goods.get();
    				} catch (InterruptedException e) {
    				}
    			}
    		}
    	}
    	static class Producer implements Runnable {
    		private Goods goods;
    		private Producer(Goods goods) {
    			this.goods = goods;
    		}
    		public void run() {
    			while (true) {
    				try {
    					goods.set("商品");
    				} catch (InterruptedException e) {
    				}
    			}
    		}
    	}
    	static class Goods {
    		private String name;
    		private int count = 1;
    		// true：生产的商品还未被消费；false：商品缺货
    		private boolean flag = false;
    		private Lock lock = new ReentrantLock();
    		private Condition condition = lock.newCondition();
    		public void set(String name) throws InterruptedException {
    			lock.lock();
    			// 多个生产者，一定要用 while 循环判断，否则会死锁
    			try {
    				while (!this.flag) {
    					condition.await();
    				}
    				this.name = name + count++;
    				this.flag = true;
    				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + this.name);
    				condition.signalAll();
    			}finally {
    				lock.unlock();
    			}
    		}
    		public void get() throws InterruptedException {
    			lock.lock();
    			// 多个消费者，一定要用 while 循环判断，否则会死锁
    			try {
    				while (!this.flag) {
    					condition.await();
    				}
    				this.flag = false;
    				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + this.name);
    				condition.signalAll();
    			}finally {
    				lock.unlock();
    			}
    		}
    	}
    }

下面代码是使用两个 Condition，分别控制生产者和消费者的等待唤醒

static class Goods {
            private String name;
            private int count = 1;
            // true：生产的商品还未被消费；false：商品缺货
            private boolean flag = false;
            private Lock lock = new ReentrantLock();
            // 生产者
            private Condition condition_pro = lock.newCondition();
            // 消费者
    		private Condition condition_con = lock.newCondition();
            public void set(String name) throws InterruptedException {
                lock.lock();
                // 多个生产者，一定要用 while 循环判断，否则会死锁
                try {
                    while (!this.flag) {
    	                // 生产者等待
                        condition_pro.await();
                    }
                    this.name = name + count++;
                    this.flag = true;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + this.name);
                    // 消费者唤醒
                    condition_con.signal();
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
            public void get() throws InterruptedException {
                lock.lock();
                // 多个消费者，一定要用 while 循环判断，否则会死锁
                try {
                    while (!this.flag) {
    	                // 消费者等待
                        condition_con.await();
                    }
                    this.flag = false;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + this.name);
                    // 消费者唤醒
                    condition_pro.signal();
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }

## 基于读写锁的 Demo ##

public class Cache {
    	static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    	static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    	static Lock r = rwl.readLock();
    	static Lock w = rwl.writeLock();
    
    	// 获取一个key对应的value
    	public static final Object get(String key) {
    		r.lock();
    		try {
    			return map.get(key);
    		} finally {
    			r.unlock();
    		}
    	}
    	// 设置key对应的value，并返回旧的value
    	public static final Object put(String key, Object value) {
    		w.lock();
    		try {
    			return map.put(key, value);
    		} finally {
    			w.unlock();
    		}
    	}
    	// 清空所有的内容
    	public static final void clear() {
    		w.lock();
    		try {
    			map.clear();
    		} finally {
    			w.unlock();
    		}
    	}
    }