java并发：线程同步机制之Lock

一、初识Lock

　　Lock是一个接口，提供了无条件的、可轮询的、定时的、可中断的锁获取操作，所有加锁和解锁的方法都是显式的，其包路径是：java.util.concurrent.locks.Lock，其核心方法是lock()、unlock()、tryLock()，实现类有ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.ReadLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock，下图展示了Lock接口中定义的方法：

二、ReentrantLock

（1）初识ReentrantLock

　　Java在过去很长一段时间只能通过synchronized关键字来实现互斥，它有一些缺点，比如你不能扩展锁之外的方法或者块边界，尝试获取锁时不能中途取消等。Java5通过Lock接口提供了更复杂的控制来解决这些问题，《Java并发编程实战》一书有如下描述：

（2）示例

此处我们看下面这两个例子，请注意其中ReentrantLock使用方式的区别：

（1）此处两个方法之间的锁是独立的

package com.test;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Countx ct = new Countx();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.get();
                }
            }.start();
        }
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.put();
                }
            }.start();
        }
    }
}

class Countx {

    public void get() {
        final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        try {
            lock.lock();// 加锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "get begin");
            Thread.sleep(1000L);// 模仿干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "get end");
            lock.unlock(); // 解锁
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void put() {
        final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        try {
            lock.lock();// 加锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put begin");
            Thread.sleep(1000L);// 模仿干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put end");
            lock.unlock(); // 解锁
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下（每次运行结果都是不一样的，仔细体会一下）：

Thread-1get begin
Thread-0get begin
Thread-2put begin
Thread-3put begin
Thread-0get end
Thread-3put end
Thread-1get end
Thread-2put end

（2）此处两个方法之间使用相同的锁

package com.test;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Countx ct = new Countx();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.get();
                }
            }.start();
        }
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.put();
                }
            }.start();
        }
    }
}

class Countx {
    final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void get() {
        // final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        try {
            lock.lock();// 加锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "get begin");
            Thread.sleep(1000L);// 模仿干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "get end");
            lock.unlock(); // 解锁
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void put() {
        // final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        try {
            lock.lock();// 加锁
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put begin");
            Thread.sleep(1000L);// 模仿干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "put end");
            lock.unlock(); // 解锁
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下（每次运行结果都是一样的）：

Thread-0get begin
Thread-0get end
Thread-1get begin
Thread-1get end
Thread-2put begin
Thread-2put end
Thread-3put begin
Thread-3put end

三、ReadWriteLock

（1）初识ReadWriteLock

　　Java中的ReadWriteLock是什么？一般而言，读写锁是用来提升并发程序性能的锁分离技术的成果，Java中的ReadWriteLock是Java5中新增的一个接口，提供了readLock和writeLock两种锁机制。一个ReadWriteLock维护一对关联的锁，一个用于只读操作，一个用于写，在没有写线程的情况下，一个读锁可能会同时被多个读线程持有，写锁是独占的。

我们来看一下ReadWriteLock的源码：

public interface ReadWriteLock{
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}

　　从源码上面我们可以看出来ReadWriteLock并不是Lock的子接口，只不过ReadWriteLock借助Lock来实现读写两个锁并存、互斥的操作机制。在ReadWriteLock中每次读取共享数据就需要读取锁，当需要修改共享数据时就需要写入锁，看起来好像是两个锁，但是并非如此。

　　ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock在java.util里面唯一的实现类，主要使用场景是当有很多线程都从某个数据结构中读取数据，而很少有线程对其进行修改。在这种情况下，允许读取器线程共享访问时合适的，写入器线程必须是互斥访问的，你可以使用JDK中的ReentrantReadWriteLock来实现这个规则。

ReentrantReadWriteLock的实现里面有以下几个特性：

（1）公平性

（2）重入性

（3）锁降级：写线程获取写入锁后可以获取读取锁，然后释放写入锁，这样就可以从写入锁变成了读取锁，从而实现锁降级的特性。

（4）锁升级

（5）锁获取中断

（6）条件变量

（7）重入数：读取锁和写入锁的数量最大分别是65535。它最多支持65535个写锁和65535个读锁。

概括起来其实就是读写锁的机制：

A、读-读不互斥

B、读-写互斥

C、写-写互斥

（2）示例

示例一：ReadLock和WriteLock单独使用的情况

package demo.thread;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Count ct = new Count();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.get();
                }
            }.start();
        }
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    ct.put();
                }
            }.start();
        }
    }
}

class Count {
    private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

public void get() {
        rwl.readLock().lock();// 上读锁，其他线程只能读不能写，具有高并发性
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read start.");
            Thread.sleep(1000L);// 模拟干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "read end.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            rwl.readLock().unlock(); // 释放写锁，最好放在finnaly里面
        }
    }

    public void put() {
        rwl.writeLock().lock();// 上写锁，具有阻塞性
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " write start.");
            Thread.sleep(1000L);// 模拟干活
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "write end.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            rwl.writeLock().unlock(); // 释放写锁，最好放在finnaly里面
        }
    }

}

运行结果如下：

Thread-1 read start.
Thread-0 read start.
Thread-1read end.
Thread-0read end.
Thread-3 write start.
Thread-3write end.
Thread-2 write start.
Thread-2write end.

从结果上面可以看的出来，读的时候是并发的，写的时候是有顺序的带阻塞机制的

实例二：ReadLock和WriteLock的复杂使用情况，模拟一个有读写数据的场景

private final Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();// 假设这里面存了数据缓存
private final ReentrantReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();

public Object readWrite(String id) {
      Object value = null;
      rwlock.readLock().lock();// 首先开启读锁，从缓存中去取
      try {
            value = map.get(id);
            if (value == null) { // 如果缓存中没有数据，释放读锁，上写锁
                rwlock.readLock().unlock();
                rwlock.writeLock().lock();
                try {
                    if (value == null) {
                        value = "aaa"; // 此时可以去数据库中查找，这里简单的模拟一下
                    }
                } finally {
                    rwlock.writeLock().unlock(); // 释放写锁
                }
                rwlock.readLock().lock(); // 然后再上读锁
            }
        } finally {
            rwlock.readLock().unlock(); // 最后释放读锁
        }
      return value;
}

请一定要注意读写锁的获取与释放顺序。

（3）比较分析

ReentrantReadWriteLock与ReentrantLock的比较：

（1）相同点：都是一种显式锁，手动加锁和解锁，都很适合高并发场景

（2）不同点：ReentrantReadWriteLock是对ReentrantLock的复杂扩展，能适合更复杂的业务场景，ReentrantReadWriteLock可以实现一个方法中读写分离的锁机制。而ReentrantLock加锁解锁只有一种机制

四、StampedLock

　　Java8引入了一个新的读写锁：StampedLock，这个锁更快，而且它提供强大的乐观锁API，这意味着你能以一个较低的代价获得一个读锁, 在这段时间希望没有写操作发生，当这段时间完成后，你可以查询一下锁，看在刚才这段时间是否有写操作发生，然后你可以决定是否需要再试一次或升级锁或放弃。

通常我们的同步锁代码如下：

synchronized(this){
    // do operation
}

Java6提供的ReentrantReadWriteLock使用方式如下：

rwlock.writeLock().lock();
try {
    // do operation
} finally {
    rwlock.writeLock().unlock();
}

　　ReentrantReadWriteLock、ReentrantLock和synchronized锁都有相同的内存语义，不管怎么说synchronized代码要更容易书写，而ReentrantLock的代码必须严格按照一定的方式来写，否则就会造成严重的问题。StampedLock要比ReentrantReadWriteLock更加廉价，也就是消耗比较小，StampedLock控制锁有三种模式（写，读，乐观读）

参考资料：

Java 8新特性StampedLock

（1）http://www.importnew.com/14941.html

（2）http://www.jdon.com/idea/java/java-8-stampedlock.html

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此处贴出一些资源，后续会研究这部分内容

（1）http://ifeve.com/jdk1-8-abstractqueuedsynchronizer/

（2）http://ifeve.com/introduce-abstractqueuedsynchronizer/