java并发包之Lock

1. synchronize的限制

synchronized 是Java的关键字，是Java的内置特性，在JVM层面实现了对临界资源的同步互斥访问，但 synchronized 粒度有些大，在处理实际问题时存在诸多局限性

它无法中断一个正在等候获得锁的线程
也无法通过投票得到锁，如果不想等下去，也就没法得到锁
同步还要求锁的释放只能在与获得锁所在的堆栈帧相同的堆栈帧中进行，多数情况下，这没问题（而且与异常处理交互得很好），但是，确实存在一些非块结构的锁定更合适的情况。

例如出现以下情况时：

在使用synchronized关键字的情形下，假如占有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，那么其他线程就只能一直等待，别无他法。这会极大影响程序执行效率。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 (解决方案：tryLock(long time, TimeUnit unit)) 或者能够响应中断 (解决方案：lockInterruptibly())），这种情况可以通过 Lock 解决。
当多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作也会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是如果采用synchronized关键字实现同步的话，就会导致一个问题，即当多个线程都只是进行读操作时，也只有一个线程在可以进行读操作，其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。因此，需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突。同样地，Lock也可以解决这种情况 (解决方案：ReentrantReadWriteLock) 。
我们可以通过Lock 得知线程有没有成功获取到锁 (解决方案：ReentrantLock) ，但这个是synchronized无法办到的。

2. Lock相关类与接口

Lock相关的类在juc（java.util.concurrent）的locks包下
这里写图片描述

1. Lock

/源码解析
public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  // 可以响应中断
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 可以响应中断
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

Lock接口声明了四个方法获得锁，如下

lock()
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。在前面已经讲到，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();//获得锁
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){

}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

tryLock()
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，也就是说，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）。
一般情况下，通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     //成功拿到锁
     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
}

tryLock(long time, TimeUnit unit)
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，同时可以响应中断。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
lockInterruptibly()
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，即线程等待时能够被中断。例如，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，但推荐使用后者，原因稍后阐述。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interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。因此，当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，那么只有进行等待的情况下，才可以响应中断的。

2. ReentrantLock

ReentrantLock，即可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。

class Outputter1 {  
    private Lock lock = new ReentrantLock();// 锁对象  

    public void output(String name) {         
        lock.lock();      // 得到锁  
        try {  
            for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
                System.out.print(name.charAt(i));  
            }  
        } finally {  
            lock.unlock();// 释放锁  
        }  
    }  
}

注意区分得到锁的四种方法的区别，尤其是是否能在等待过程中响应中断这个特点
用sychronized修饰的方法或者语句块在代码执行完之后锁自动释放，而是用Lock需要我们手动释放锁，所以为了保证锁最终被释放(发生异常情况)，要把互斥区放在try内，释放锁放在finally内！
申请锁的操作要放在try前面，因为如果放到try代码块里，若等待过程中响应中断，导致finally的释放锁语句执行，会尝试释放还没有得到的锁，抛出IllegalMonitorStateException异常

4. ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

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

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说，将对临界资源的读写操作分成两个锁来分配给线程，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 实现了 ReadWriteLock 接口，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
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 {
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();

        new Thread("A"){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread("B"){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

    }  

    public synchronized void get(Thread thread) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("线程"+ thread.getName()+"开始读操作...");
        while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
            System.out.println("线程"+ thread.getName()+"正在进行读操作...");
        }
        System.out.println("线程"+ thread.getName()+"读操作完毕...");
    }
}
/* Output: 
        线程A开始读操作...
        线程A正在进行读操作...
        ...
        线程A正在进行读操作...
        线程A读操作完毕...
        线程B开始读操作...
        线程B正在进行读操作...
        ...
        线程B正在进行读操作...
        线程B读操作完毕...
 */

这段程序的输出结果会是，直到线程A执行完读操作之后，才会打印线程B执行读操作的信息。而改成使用读写锁的话：

public class Test {
    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();

        new Thread("A") {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread("B") {
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }

    public void get(Thread thread) {
        rwl.readLock().lock(); // 在外面获取锁
        try {
            long start = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("线程" + thread.getName() + "开始读操作...");
            while (System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
                System.out.println("线程" + thread.getName() + "正在进行读操作...");
            }
            System.out.println("线程" + thread.getName() + "读操作完毕...");
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}
/* Output: 
        线程A开始读操作...
        线程B开始读操作...
        线程A正在进行读操作...
        线程A正在进行读操作...
        线程B正在进行读操作...
        ...
        线程A读操作完毕...
        线程B读操作完毕...
 */

我们可以看到，线程A和线程B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，则申请的线程也会一直等待释放写锁。

3. Lock和synchronized的选择

Lock和synchronized的区别

Lock是一个接口，是JDK层面的实现；而synchronized是Java中的关键字，是Java的内置特性，是JVM层面的实现；
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；
Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到；
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。