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Java并发编程：ReentrantLock重入锁功能介绍

       jdk中独占锁的实现除了使用关键字synchronized外,还可以使用ReentrantLock。虽然在性能上ReentrantLock和synchronized没有什么区别，但ReentrantLock相比synchronized而言功能更加丰富，使用起来更为灵活，也更适合复杂的并发场景。

1.ReentrantLock和synchronized的相同点

1.1 ReentrantLock是独占锁且可重入的 

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 {
                System.out.println(i);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

上面的代码通过

lock()

方法先获取锁三次，然后通过

unlock()

方法释放锁3次，程序可以正常退出。从上面的例子可以看出,ReentrantLock是可以重入的锁,当一个线程获取锁时,还可以接着重复获取多次。在加上ReentrantLock的的独占性，我们可以得出以下ReentrantLock和synchronized的相同点。

  • 1.ReentrantLock和synchronized都是独占锁,只允许线程互斥的访问临界区。但是实现上两者不同:synchronized加锁解锁的过程是隐式的,用户不用手动操作,优点是操作简单，但显得不够灵活。一般并发场景使用synchronized的就够了；ReentrantLock需要手动加锁和解锁,且解锁的操作尽量要放在finally代码块中,保证线程正确释放锁。ReentrantLock操作较为复杂，但是因为可以手动控制加锁和解锁过程,在复杂的并发场景中能派上用场。
  • 2.ReentrantLock和synchronized都是可重入的。synchronized因为可重入因此可以放在被递归执行的方法上,且不用担心线程最后能否正确释放锁；而ReentrantLock在重入时要却确保重复获取锁的次数必须和重复释放锁的次数一样，否则可能导致其他线程无法获得该锁。

2.ReentrantLock相比synchronized的额外功能

2.1 ReentrantLock可以实现公平锁

公平锁是指当锁可用时,在锁上等待时间最长的线程将获得锁的使用权。而非公平锁则随机分配这种使用权。和synchronized一样，默认的ReentrantLock实现是非公平锁,因为相比公平锁，非公平锁性能更好。当然公平锁能防止饥饿,某些情况下也很有用。在创建ReentrantLock的时候通过传进参数

true

创建公平锁,如果传入的是

false

或没传参数则创建的是非公平锁

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
           
ReentrantLock源码：      
public class ReentrantLock implements Lock, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    private final ReentrantLock.Sync sync;

    public ReentrantLock() {
        this.sync = new ReentrantLock.NonfairSync();
    }

    public ReentrantLock(boolean var1) {
        this.sync = (ReentrantLock.Sync)(var1 ? new ReentrantLock.FairSync() : new ReentrantLock.NonfairSync());
    }

可以看到公平锁和非公平锁的实现关键在于成员变量

sync

的实现不同,这是锁实现互斥同步的核心。

一个公平锁的例子

public class ReentrantLockTest {
    static ReentrantLock 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(10000);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            for (int i = 0; i < 2; i++){
                lock.lock();
                System.out.println("获得锁的线程：" + id);
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

公平锁结果

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我们开启5个线程,让每个线程都获取释放锁两次。为了能更好的观察到结果,在每次获取锁前让线程休眠10秒。可以看到线程几乎是轮流的获取到了锁。如果我们改成非公平锁,再看下结果

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线程会重复获取锁。如果申请获取锁的线程足够多,那么可能会造成某些线程长时间得不到锁。这就是非公平锁的“饥饿”问题。

  • 公平锁和非公平锁该如何选择

    大部分情况下我们使用非公平锁，因为其性能比公平锁好很多。但是公平锁能够避免线程饥饿，某些情况下也很有用。

2.2 ReentrantLock可响应中断

当使用synchronized实现锁时,阻塞在锁上的线程除非获得锁否则将一直等待下去，也就是说这种无限等待获取锁的行为无法被中断。而ReentrantLock给我们提供了一个可以响应中断的获取锁的方法

lockInterruptibly()

。该方法可以用来解决死锁问题。

响应中断的例子

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));//该线程先获取锁1,再获取锁2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//该线程先获取锁2,再获取锁1
        thread.start();
        thread1.start();
        thread1.interrupt();//是第二个线程中断 如果无此行代码则死锁，线程无法结束
    }

    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);//更好的触发死锁
                secondLock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                firstLock.unlock();
                secondLock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正常结束!");
            }
        }
    }
}

结果：

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构造死锁场景:创建两个子线程,子线程在运行时会分别尝试获取两把锁。其中一个线程先获取锁1在获取锁2，另一个线程正好相反。如果没有外界中断，该程序将处于死锁状态永远无法停止。我们通过使其中一个线程中断，来结束线程间毫无意义的等待。被中断的线程将抛出异常，而另一个线程将能获取锁后正常结束。

2.3 获取锁时限时等待

ReentrantLock还给我们提供了获取锁限时等待的方法

tryLock()

,可以选择传入时间参数,表示等待指定的时间,无参则表示立即返回锁申请的结果:true表示获取锁成功,false表示获取锁失败。我们可以使用该方法配合失败重试机制来更好的解决死锁问题。

更好的解决死锁的例子

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));//该线程先获取锁1,再获取锁2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//该线程先获取锁2,再获取锁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()+"正常结束!");
            }
        }
    }
}

结果

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线程通过调用

tryLock()

方法获取锁,第一次获取锁失败时会休眠10毫秒,然后重新获取，直到获取成功。第二次获取失败时,首先会释放第一把锁,再休眠10毫秒,然后重试直到成功为止。线程获取第二把锁失败时将会释放第一把锁，这是解决死锁问题的关键,避免了两个线程分别持有一把锁然后相互请求另一把锁。

3 结合Condition实现等待通知机制

使用synchronized结合Object上的wait和notify方法可以实现线程间的等待通知机制。ReentrantLock结合Condition接口同样可以实现这个功能。而且相比前者使用起来更清晰也更简单。

3.1 Condition由ReetrantLock对象创建，并且可以同时创建多个 

static Condition notEmpty = lock.newCondition();

static Condition notFull = lock.newCondition();

Condition接口在使用前必须先调用ReentrantLock的lock()方法获得锁。之后调用Condition接口的await()将释放锁,并且在该Condition上等待,直到有其他线程调用Condition的signal()方法唤醒线程。使用方式和wait,notify类似。

  • 一个Condition对象的signal（signalAll）方法和该对象的await方法是一一对应的，也就是一个Condition对象的signal（signalAll）方法不能唤醒其他condition对象的await方法
  • Condition类可以唤醒指定条件的线程，而object的唤醒是随机的
  • Condition类的awiat方法和Object类的wait方法等效
  • Condition类的signal方法和Object类的notify方法等效
  • Condition类的signalAll方法和Object类的notifyAll方法等效

一个使用condition的简单例子

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("主线程等待通知");
        try{
            condition.await();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println("主线程恢复运行");
    }

    static class SignalThread implements Runnable{

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

运行结果：

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3.2 使用Condition实现简单的阻塞队列

阻塞队列是一种特殊的先进先出队列,它有以下几个特点

1.入队和出队线程安全

2.当队列满时,入队线程会被阻塞;当队列为空时,出队线程会被阻塞。

阻塞队列的简单实现

public class MyBlockingQueue<E> {

    int size;//阻塞队列最大容量

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    LinkedList<E> list=new LinkedList<>();//队列底层实现

    Condition notFull = lock.newCondition();//队列满时的等待条件
    Condition notEmpty = lock.newCondition();//队列空时的等待条件

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

    public void enqueue(E e) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() ==size)//队列已满,在notFull条件上等待
                notFull.await();
            list.add(e);//入队:加入链表末尾
            System.out.println("入队：" +e);
            notEmpty.signal(); //通知在notEmpty条件上等待的线程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public E dequeue() throws InterruptedException {
        E e;
        lock.lock();
        try {
            while (list.size() == 0)//队列为空,在notEmpty条件上等待
                notEmpty.await();
            e = list.removeFirst();//出队:移除链表首元素
            System.out.println("出队："+e);
            notFull.signal();//通知在notFull条件上等待的线程
            return e;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

测试代码

public class MyBlockingQueueTest {
    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();
        }

    }
}

运行结果

Java并发编程：ReentrantLock重入锁功能介绍

4.ReentrantLock类的方法

  • getHoldCount() 查询当前线程保持此锁的次数，也就是执行此线程执行lock方法的次数
  • getQueueLength（）返回正等待获取此锁的线程估计数，比如启动10个线程，1个线程获得锁，此时返回的是9
  • getWaitQueueLength（Condition condition）返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如10个线程，用同一个condition对象，并且此时这10个线程都执行了condition对象的await方法，那么此时执行此方法返回10
  • hasWaiters(Condition condition)查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition)，对于指定contidion对象，有多少线程执行了condition.await方法
  • hasQueuedThread(Thread thread)查询给定线程是否等待获取此锁
  • hasQueuedThreads()是否有线程等待此锁
  • isFair()该锁是否公平锁
  • isHeldByCurrentThread() 当前线程是否保持锁锁定，线程的执行lock方法的前后分别是false和true
  • isLock()此锁是否有任意线程占用
  • lockInterruptibly（）如果当前线程未被中断，获取锁
  • tryLock（）尝试获得锁，仅在调用时锁未被线程占用，获得锁
  • tryLock(long timeout TimeUnit unit)如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，则获取该锁

5.总结

ReentrantLock是可重入的独占锁。比起synchronized功能更加丰富，支持公平锁实现，支持中断响应以及限时等待等等。可以配合一个或多个Condition条件方便的实现等待通知机制。

参考文章:

1.https://www.cnblogs.com/takumicx/p/9338983.html（很优秀）

2.https://www.cnblogs.com/-new/p/7256297.html

并发-多线程 Java并发编程：ReetrantLock
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