帶你了解什么是重入鎖

JDK中獨(dú)占鎖的實(shí)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(méi)有什么區(qū)別，但ReentrantLock相比synchronized而言功能更加豐富，使用起來(lái)更為靈活，也更適合復(fù)雜的并發(fā)場(chǎng)景。

兩者的相同點(diǎn)

ReentrantLock是獨(dú)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(guò)lock()方法先獲取鎖三次，然后通過(guò)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(gè)線(xiàn)程獲取鎖時(shí),還可以接著重復(fù)獲取多次。在加上ReentrantLock的的獨(dú)占性，我們可以得出以下ReentrantLock和synchronized的相同點(diǎn)。

• ReentrantLock和synchronized都是獨(dú)占鎖,只允許線(xiàn)程互斥的訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)。但是實(shí)現(xiàn)上兩者不同：synchronized加鎖解鎖的過(guò)程是隱式的,用戶(hù)不用手動(dòng)操作,優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，但顯得不夠靈活。一般并發(fā)場(chǎng)景使用synchronized的就夠了；ReentrantLock需要手動(dòng)加鎖和解鎖,且解鎖的操作盡量要放在finally代碼塊中,保證線(xiàn)程正確釋放鎖。ReentrantLock操作較為復(fù)雜，但是因?yàn)榭梢允謩?dòng)控制加鎖和解鎖過(guò)程,在復(fù)雜的并發(fā)場(chǎng)景中能派上用場(chǎng)。
• ReentrantLock和synchronized都是可重入的。synchronized因?yàn)榭芍厝胍虼丝梢苑旁诒贿f歸執(zhí)行的方法上,且不用擔(dān)心線(xiàn)程最后能否正確釋放鎖；而ReentrantLock在重入時(shí)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(xiàn)程無(wú)法獲得該鎖。

兩者的額外功能

ReentrantLock可以實(shí)現(xiàn)公平鎖

公平鎖是指當(dāng)鎖可用時(shí),在鎖上等待時(shí)間最長(zhǎng)的線(xiàn)程將獲得鎖的使用權(quán)。而非公平鎖則隨機(jī)分配這種使用權(quán)。和synchronized一樣，默認(rèn)的ReentrantLock實(shí)現(xiàn)是非公平鎖,因?yàn)橄啾裙芥i，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(shí)候通過(guò)傳進(jìn)參數(shù)true創(chuàng)建公平鎖,如果傳入的是false或沒(méi)傳參數(shù)則創(chuàng)建的是非公平鎖

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

繼續(xù)跟進(jìn)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(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于成員變量sync的實(shí)現(xiàn)不同,這是鎖實(shí)現(xiàn)互斥同步的核心。以后有機(jī)會(huì)我們?cè)偌?xì)講。

一個(gè)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(xiàn)程："+id);
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

公平鎖結(jié)果

我們開(kāi)啟5個(gè)線(xiàn)程,讓每個(gè)線(xiàn)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(xiàn)程休眠10毫秒。可以看到線(xiàn)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(xiàn)程會(huì)重復(fù)獲取鎖。如果申請(qǐng)獲取鎖的線(xiàn)程足夠多,那么可能會(huì)造成某些線(xiàn)程長(zhǎng)時(shí)間得不到鎖。這就是非公平鎖的“饑餓”問(wèn)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?yàn)槠湫阅鼙裙芥i好很多。

但是公平鎖能夠避免線(xiàn)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(shí)現(xiàn)鎖時(shí),阻塞在鎖上的線(xiàn)程除非獲得鎖否則將一直等待下去，也就是說(shuō)這種無(wú)限等待獲取鎖的行為無(wú)法被中斷。而ReentrantLock給我們提供了一個(gè)可以響應(yīng)中斷的獲取鎖的方法lockInterruptibly()。該方法可以用來(lái)解決死鎖問(wèn)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(xiàn)程先獲取鎖1,再獲取鎖2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//該線(xiàn)程先獲取鎖2,再獲取鎖1
        thread.start();
        thread1.start();
        thread.interrupt();//是第一個(gè)線(xiàn)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(chǎng)景:

創(chuàng)建兩個(gè)子線(xiàn)程,子線(xiàn)程在運(yùn)行時(shí)會(huì)分別嘗試獲取兩把鎖。其中一個(gè)線(xiàn)程先獲取鎖1在獲取鎖2，另一個(gè)線(xiàn)程正好相反。

如果沒(méi)有外界中斷，該程序?qū)⑻幱谒梨i狀態(tài)永遠(yuǎn)無(wú)法停止。我們通過(guò)使其中一個(gè)線(xiàn)程中斷，來(lái)結(jié)束線(xiàn)程間毫無(wú)意義的等待。被中斷的線(xiàn)程將拋出異常，而另一個(gè)線(xiàn)程將能獲取鎖后正常結(jié)束。

3.3 獲取鎖時(shí)限時(shí)等待

ReentrantLock還給我們提供了獲取鎖限時(shí)等待的方法tryLock(),可以選擇傳入時(shí)間參數(shù),表示等待指定的時(shí)間,無(wú)參則表示立即返回鎖申請(qǐng)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(jī)制來(lái)更好的解決死鎖問(wèn)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(xiàn)程先獲取鎖1,再獲取鎖2
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadDemo(lock2, lock1));//該線(xiàn)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(xiàn)程通過(guò)調(diào)用tryLock()方法獲取鎖,第一次獲取鎖失敗時(shí)會(huì)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(shí),首先會(huì)釋放第一把鎖,再休眠10毫秒,然后重試直到成功為止。線(xiàn)程獲取第二把鎖失敗時(shí)將會(huì)釋放第一把鎖，這是解決死鎖問(wèn)題的關(guān)鍵,避免了兩個(gè)線(xiàn)程分別持有一把鎖然后相互請(qǐng)求另一把鎖。

結(jié)合Condition實(shí)現(xiàn)等待通知機(jī)制

使用synchronized結(jié)合Object上的wait和notify方法可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的等待通知機(jī)制。ReentrantLock結(jié)合Condition接口同樣可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。而且相比前者使用起來(lái)更清晰也更簡(jiǎn)單。

Condition使用簡(jiǎn)介

Condition由ReentrantLock對(duì)象創(chuàng)建,并且可以同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)

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(xiàn)程調(diào)用Condition的signal()方法喚醒線(xiàn)程。使用方式和wait,notify類(lèi)似。

一個(gè)使用condition的簡(jiǎn)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(xiàn)程等待通知");
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println("主線(xiàn)程恢復(fù)運(yùn)行");
    }
    static class SignalThread implements Runnable {

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

運(yùn)行結(jié)果：

使用Condition實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的阻塞隊(duì)列

阻塞隊(duì)列是一種特殊的先進(jìn)先出隊(duì)列,它有以下幾個(gè)特點(diǎn) 1.入隊(duì)和出隊(duì)線(xiàn)程安全 2.當(dāng)隊(duì)列滿(mǎn)時(shí),入隊(duì)線(xiàn)程會(huì)被阻塞;當(dāng)隊(duì)列為空時(shí),出隊(duì)線(xiàn)程會(huì)被阻塞。

阻塞隊(duì)列的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：

public class MyBlockingQueue<E> {

    int size;//阻塞隊(duì)列最大容量

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    LinkedList<E> list=new LinkedList<>();//隊(duì)列底層實(shí)現(xiàn)

    Condition notFull = lock.newCondition();//隊(duì)列滿(mǎn)時(shí)的等待條件
    Condition notEmpty = lock.newCondition();//隊(duì)列空時(shí)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(duì)列已滿(mǎn),在notFull條件上等待
                notFull.await();
            list.add(e);//入隊(duì):加入鏈表末尾
            System.out.println("入隊(duì)：" +e);
            notEmpty.signal(); //通知在notEmpty條件上等待的線(xiàn)程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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

測(cè)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(yùn)行結(jié)果：

總結(jié)

ReentrantLock是可重入的獨(dú)占鎖。比起synchronized功能更加豐富，支持公平鎖實(shí)現(xiàn)，支持中斷響應(yīng)以及限時(shí)等待等等?？梢耘浜弦粋€(gè)或多個(gè)Condition條件方便的實(shí)現(xiàn)等待通知機(jī)制。

好了，今天就分享這么多。