第五章 Java中锁

Lock接口

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式,一般来说,一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源(但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源,比如读写锁)。在Lock接口出现之前,Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的,而在Java SE 5之后,并发包中新增了Lock接口(以及相关实现类)用来实现锁功能,它提供了与synchronized关键字类似的同步功能,只是在使用时需要显示地获取和释放锁。虽然它缺少了(通过synchronized块或者方法所提供的)隐式获取释放锁的便捷性,但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

Lock使用很简单,如下是Lock的使用方式

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{
}finally{
lock.unlock;
}

在finally块释放锁,目的是保证在获取到锁之后,最后能够被释放。不要将获取锁的过程写在try块中,因为如果在获取锁(自定义锁的实现)时发生了异常,异常抛出的同时,也会导致锁无故释放。

Lock接口提供的synchronized关键字所不具备的主要特性如下表

特性 描述
尝试非阻塞地获取锁 当前线程尝试获取锁,如果这一课时没有锁没有被其他线程获取到,则成功获取并持有锁
能被中断地获取锁 与synchronized不同,获取到锁的线程能够响应中断,当获取到锁的线程被中断时,中断异常将会被抛出,同时锁会被释放
超时获取锁 在指定的截止时间之前获取锁,如果截止时间到了仍旧无法获取锁,则返回

Lock是一个接口,它定义了锁获取和释放的基本操作,Lock的API如下表

方法名称 描述
void lock() 获取锁,调用该方法当前线程将会获取锁,当锁获得后,从该方法返回
void lockInterruptibly() throws InterruptedException 可中断地获取锁,和lock()方法的不同之处在于该方法会响应中断,即在锁的获取中可以中断当前线程
boolean tryLock() 尝试非阻塞的获取锁,调用该方法后立刻返回,如果能够获取则返回true,否则返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException

超时的获取锁,当前线程哎以下三种情况会返回:

1当前线程在超时时间内获得了锁

2当前线程在超时时间内被中断

3超时时间结束,返回false

void unlock() 释放锁
Condition newCondition() 获取等待通知组件,该组件和当前的锁绑定,当前线程只有获得了锁,才能调用该组件的wait()方法,而调用后,当前线程将释放锁

队列同步器

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer(以下简称同步器),是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架,它使用了一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作,并发包的作者(Doug Lea)期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。

同步器的主要使用方式是继承,子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态,在抽样方法的实现过程中免不了要对同步状态进行更改,这时就需要使用同步器提供的3个方法(getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update))来进行操作,因为它们能够保证状态的改变是安全的。

子类推荐被定义为自定义同步组件的静态内部类,同步器自身没有实现任何同步接口,它仅仅是定义了若干同步状态获取和释放的方法来供自定义同步组件使用,同步器可以支持独占式地获取同步状态,也可以支持共享式地获取同步状态,这样就可以方便实现不同类型的同步组件(ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock和CountDownLock等)。

队列同步器的接口与示例

同步器的设计是基础模版方法模式的,也就是说,使用者需要继承同步器并重写指定的方法,随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中,并调用同步器提供的模版方法,而这些模版方法将会调用使用者重写的方法。

重写同步器指定的方法时,需要使用同步器提供的如下3个方法来访问或修改同步状态

  • getState():获取当前状态
  • setState(int newState):设置当前同步状态
  • compareAndSetState(int expect, int update):使用CAS设置当前状态,该方法能够保证状态设置的原子性

同步器可重写的方法与描述如下表

方法名称 描述
protected boolean tryAcquire(int arg) 独占式获取同步状态,实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期,然后再进行CAS设置同步状态
protected boolean tryRelease(int arg) 独占式释放同步状态,等待获取同步状态的线程将有机会获取同步状态
protected int tryAcquireShared(int arg) 共享式获取同步状态,返回大于等于0的值,表示获取成功,反之,获取失败
protected boolean tryReleaseShared(int arg) 共享式释放同步状态
protected boolean isHeldExclusively() 当前同步器是否在独占模式下被线程占用,一般该方法表示是否被当前线程所独占

实现自定义同步组件时,将会调用同步器提供的模版方法,这些(部门)模版方法与描述如下

方法名称 描述
void acquire(int arg) 独占式获取同步状态,如果当前线程获取同步状态成功,则由该方法返回,否则,将会进入同步队列等待,该方法将会调用重写的tryAcquire(int arg)方法
void acquireInterruptibly(int arg) 与acquire(int arg)相同,但是该方法响应中断,当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中,如果当前线程被中断,则该方法会抛出InterruptedException并返回
boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanos) 在acquireInterruptibly(int arg)基础上增加了超时限制,如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态,那么将会返回false,如果获取到了返回true
void acquireShared(int arg) 共享式的获取同步状态,如果当前线程未获取到同步状态,将会进入同步队列等待,与独占式获取的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态
void acquireSharedInterruptibly(int arg) 与acquireShared(int arg)相同,该方法响应中断
boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanos) 在acquireSharedInterruptibly(int arg)基础上增加了超时限制
boolean release(int arg) 独占式的释放同步状态,该方法会在释放同步状态之后,将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒
boolean releaseShared(int arg) 共享式的释放同步状态
Collection<Thread> getQueuedThreads() 获取等待在同步队列上的线程集合

同步器提供的模版方法基本上分为3类:独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定义同步组件将使用同步器提供的模版方法来实现自己的同步语义。

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