Java并发编程：Lock（上）
在上一篇文章中我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题，从Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问，那就是Lock。
也许有朋友会问，既然都可以通过synchronized来实现同步访问了，那么为什么还需要提供Lock？这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起，然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口，最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西。
以下是本文目录大纲：
一.synchronized的缺陷
二.java.util.concurrent.locks包下常用的类
三.锁的相关概念介绍
若有不正之处请多多谅解，并欢迎批评指正。
一.synchronized的缺陷
synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？
在上面一篇文章中，我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：
1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。
那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。
再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：
如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。
另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：
1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。
二.java.util.concurrent.locks包下常用的类
下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。
1.Lock
首先要说明的就是Lock，通过查看Lock的源码可知，Lock是一个接口：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。
在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？
首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。
由于在前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
}else {
//如果不能获取锁，则直接做其他事情
}
lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。
因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：
public void method() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
//.....
}
finally {
lock.unlock();
}
}
注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。
而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。
2.ReentrantLock
ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念在下一节讲述。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。
例子1，lock()的正确使用方法
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
}
各位朋友先想一下这段代码的输出结果是什么？
Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁
也许有朋友会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。
知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
}
这样就是正确地使用Lock的方法了。
例子2，tryLock()的使用方法
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
if(lock.tryLock()) {
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
} else {
System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
}
}
}
输出结果：
Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁
例子3，lockInterruptibly()响应中断的使用方法：
public class Test {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
MyThread thread1 = new MyThread(test);
MyThread thread2 = new MyThread(test);
thread1.start();
thread2.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread2.interrupt();
}
public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
lock.lockInterruptibly(); //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
long startTime = System.currentTimeMillis();
for( ; ;) {
if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
break;
//插入数据
}
}
finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
lock.unlock();
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
}
}
}
class MyThread extends Thread {
private Test test = null;
public MyThread(Test test) {
this.test = test;
}
@Override
public void run() {
try {
test.insert(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
}
}
}
运行之后，发现thread2能够被正确中断。
3.ReadWriteLock
ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock();
}
一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
4.ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法，不过最主要的有两个方法：readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。
下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话，先看一下synchronized达到的效果：
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public synchronized void get(Thread thread) {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
}
}
这段程序的输出结果会是，直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕
而改成用读写锁的话：
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void get(Thread thread) {
rwl.readLock().lock();
try {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}
此时打印的结果为：
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1读操作完毕
说明thread1和thread2在同时进行读操作。
这样就大大提升了读操作的效率。
不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。
关于ReentrantReadWriteLock类中的其他方法感兴趣的朋友可以自行查阅API文档。
5.Lock和synchronized的选择
总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：
1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。
在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。
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