【多线程与并发】：Java中的锁

锁的概念

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁可以防止多个线程同时访问共享资源（但有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，如读写锁）。

在JDK1.5之前，Java是通过synchronized关键字实现锁功能的：隐式地获取锁和释放锁，但不够灵活。

在JDK1.5，java.util.concurrent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，但功能更强大和灵活：获取锁和释放锁的可操作性、可中断地获取锁、超时获取锁等，见下表：

特性	描述
尝试非阻塞地获取锁	当前线程尝试获取锁，如果这个时刻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	获取到锁的线程能够响应中断（而synchronized则不会响应中断操作）
超时获取锁	在指定的截止时间之前获取锁，如果在截止时间到了仍无法获取锁，则返回。

Lock接口具体的方法及释义：

public interface Lock {

    /**
     * 获取锁
     * 
     * 如果当前线程无法获取到锁（可能其他线程正在持有锁），则当前线程就会休眠，直到获取到锁
     */
    void lock(); /** * 可中断地获取锁 * * 如果如果当前线程无法获取到锁（可能其他线程正在持有锁），则当前线程就会休眠， * 直到发生下面两种情况的任意一种： * ①获取到了锁 * ②被其他线程中断 */ void lockInterruptibly() throws InterruptedException; /** * 尝试非阻塞地获取锁 * * lock()和lockInterruptibly()在获取不到锁的时候，都会阻塞当前线程，直到获取到锁 * 而该方法则不会阻塞线程，能立即获取到锁则返回true，获取不到则立即返回false * * 该方法的常用方式如下： * * Lock lock = ...; * if (lock.tryLock()) { * try { * // manipulate protected state * } finally { * lock.unlock(); * } * } else { * // perform alternative actions * }} * * 这种使用方式，可以保证只在获取到锁的时候才去释放锁 */ boolean tryLock(); /** * 超时获取锁 * * 当前线程在以下三种情况下会返回： * ①当前线程在超时时间内获取到了锁，返回true * ②当前线程在超时时间内被中断，返回false（即该方法可以响应其他线程对该线程的中断操作） * ③超时时间结束，没有获取到锁，返回false */ boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; /** * 释放锁 */ void unlock(); /** * 获取与该锁绑定的Condition * * 当前线程只有在获得了锁，才能调用Condition的wait()方法（表示我已经到了某一条件）， * 调用Condition的wait()方法之后，当前线程会释放锁 */ Condition newCondition(); } 

包java.util.concurrent.locks的类图

java.util.concurrent.locks中的类和接口.png

其中：
AbstractOwnableSynchronizer、AbstractQueuedLongSynchronizer、AbstractQueuedSynchronizer是同步器，是锁实现相关的内容。
ReentrantLock(重入锁)和ReentrantReadWriteLock（重入读写锁）是具体的实现类。
LockSupport是一个工具类，提供了基本的线程阻塞和唤醒功能。
Condition是实现线程间实现多条件等待/通知模式用到的。

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同步器的实现原理

TODO

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重入锁：ReentrantLock

重入锁，顾名思义，就是支持重新进入的锁：即某线程在获取到锁之后，可以再次获取锁而不会被阻塞。
ReentrantLock类是通过组合自定义同步器来来实现这种重入特性的，除此之外，该类还支持公平地获取锁（获取锁的顺序与请求锁的顺序是相同的，等待时间最长的线程最优先获取到锁），还支持绑定多个Condition。（synchronized关键字隐式地支持重进入，比如synchronized修饰的递归方法，在方法执行时，执行线程在获取了锁之后仍能连续多次地获得该锁，不会出现阻塞自己的情况）。

ReentrantLock内部重进入的实现（非公平获取锁的情况）代码如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } }else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { //如果是当前持有锁的线程再次获取锁，则将同步值进行增加并返回true int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) // overflow throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } 

ReentrantLock公平锁的内部实现代码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } 

与非公平获取锁的方法nonfairTryAcquire(int acquires)相比，多了一个hasQueuedPredecessors()判断：同步队列中当前节点（当前想要获取锁的线程）是否有前驱节点，如果该方法返回true，则表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，因此需要前驱线程获取并释放锁之后才能继续获取锁。

公平锁保证了锁的获取按照FIFO原则，而代价是进行大量的线程切换；
非公平锁虽然可能造成线程“饥饿”（即某线程可能需要等很久才得到锁），但线程切换极少，可以保证更大的吞吐量。

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读写锁：ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock在在同一时刻，只允许一个线程进行访问（无论读还是写）。而读写锁是指：在同一时刻，允许多个线程进行读操作，而写操作则会阻塞其他所有的线程（无论是读还是写，都会被阻塞）。读写锁维护了一对锁：读锁和写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性能相比一般的排他锁有了很大的提升。

Java中读写锁的实现类是ReentrantReadWriteLock，它支持：①重进入；②公平性选择；③锁降级：写锁可以降级为读锁，其提供了一些便于外界监控其内部状态的方法，如下：

int getReadLockCount()
返回当前读锁被获取的次数
注意：该次数并不等于获取读锁的线程数，
因为同一线程可以连续获得多次读锁，获取一次，返回值就加1，
比如，仅一个线程，它连续获得了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1，但该方法返回n

int getReadHoldCount() 返回当前前程获取读锁的次数 boolean isWriteLock() 判断读锁是否被获取 int getWriteHoldCount() 返回当前写锁被获取的次数 

使用举例：

public class Cache{

    //非线程安全的HashMap private static Map<String, Object> map = new HashMap<>(); //读写锁 private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(); //读锁 private static Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock(); //写锁 private static Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock(); /** * 获取key对应的value * * 使用读锁，使得并发访问该方法时不会被阻塞 */ public static final Object get(String key){ readLock.lock(); try{ return map.get(key); }finally { readLock.unlock(); } } /** * 设置key对应的value * * 当有线程对map进行put操作时，使用写锁，阻塞其他线程的读、写操作， * 只有在写锁被释放后，其他读写操作才能继续 */ public static Object put(String key, Object value){ writeLock.lock(); try { return map.put(key, value); }finally { writeLock.unlock(); } } /** * 清空map * * 当有线程对map进行清空操作时，使用写锁，阻塞其他线程的读、写操作， * 只有在写锁被释放后，其他读写操作才能继续 */ public static void clear(){ writeLock.lock(); try { map.clear(); }finally { writeLock.unlock(); } } } 

TODO:读写锁的实现原理

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LockSupport工具类

LockSupport定义了一组公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能，是构建同步组件的基础工具，它主要有两类方法：
①以park开头的方法：阻塞当前线程
②以unpark开头的方法：唤醒被阻塞的线程

void park()
阻塞当前线程，只有当前线程被中断或其他线程调用unpark(Thread thread)，才能从park()方法返回 void parkNanos(long nanos) 阻塞当前线程，最长不超过nanos纳秒，返回条件在park()的基础上增加了超时返回 void parkUntil(long deadline) 阻塞当前线程，直到deadline这个时间点（从1970年开始到deadline时间的毫秒数） void unpark(Thread thread) 唤醒处于阻塞状态的thread线程 

在JDK1.6中，该类增加了void park(Object blocker)、void parkNanos(Object blocker, long nanos)、void parkUntil(Object blocker, long deadline)方法，相比之前的park方法，多了一个blocker对象，该对象用来标识当前线程在等待的对象（阻塞对象），主要用来问题排查和系统监控（对线程dump时，可以提供阻塞对象的信息），可以用来代替原有的park方法。

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Condition接口

任意一个Java对象都有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上）：wait()、wait(long timeout)、notify()、notifyAll()，这些方法与sychronized配合使用，可以实现等待/通知模式。
Condition接口也提供了类似的监视器方法，与Lock配合使用，可以实现等待/通知模式。

两者的区别如下：

对比项	Object Monitor Methods	Condition
前置条件	获取对象的锁	调用Lock.lock()获取锁→调用Lock.newCondition()获取Condition对象
调用方式	直接调用，如object.wait()	直接调用，如condition.await()
等待队列个数	1个	多个
当前线程释放锁并进入等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间点	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的全部线程	支持	支持

Condition中的方法如下：（一般会将Condition对象作为成员变量）
说明：当前线程调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等候，当其他线程调用signal()方法通知当前线程后，当前线程才从await()方法中返回，并且在返回前已经获取了锁（re-acquire）。

public interface Condition {
    
    /** * 当前线程进入等待状态直到被通知（signalled）或中断(interrupted) * * 如果当前线程从该方法返回，则表明当前线程已经获取了Condition对象所对应的锁 * * @throws InterruptedException */ void await() throws InterruptedException; /** * 与await()不同是：该方法对中断操作不敏感 * * 如果当前线程在等待的过程中被中断，当前线程仍会继续等待，直到被通知(signalled)， * 但当前线程会保留线程的中断状态值 * */ void awaitUninterruptibly(); /** * 当前线程进入等待状态，直到被通知或被中断或超时 * * 返回值表示剩余时间， * 如果当前线程在nanosTimeout纳秒之前被唤醒，那么返回值就是（nanosTimeout-实际耗时）， * 如果返回值是0或者负数，则表示等待已超时 * */ long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; /** * 该方法等价于awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0 */ boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; /** * 当前线程进入等待状态，直到被通知或被中断或到达时间点deadline * * 如果在没有到达截止时间就被通知，返回true * 如果在到了截止时间仍未被通知，返回false */ boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; /** * 唤醒一个等待在Condition上的线程 * 该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁 */ void signal(); /** * 唤醒所有等待在Condition上的线程 * 每个线程从等待方法返回前必须获取Condition相关联的锁 */ void signalAll(); } 

使用Condition实现一个有界阻塞队列的例子：当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞当前线程，直到队列中有新增元素；当队列已满时，队列的插入操作就会阻塞插入线程，直到队列中出现空位。（其实这个例子就是简化版的ArrayBlockingQueue）

class BoundedBlockingQueue<T> {
    //使用数组维护队列
    private Object[] queue; //当前数组中的元素个数 private int count = 0; //当前添加元素到数组的位置 private int addIndex = 0; //当前移除元素在数组中的位置 private int removeIndex = 0; private Lock lock = new ReentrantLock(); private Condition notEmptyCondition = lock.newCondition(); private Condition notFullCondition = lock.newCondition(); private BoundedBlockingQueue() { } public BoundedBlockingQueue(int capacity) { queue = new Object[capacity]; } public void put(T t) throws InterruptedException { lock.lock();//获得锁，保证内部数组修改的可见性和排他性 try { //使用while，而非if：防止过早或意外的通知， //加入当前线程释放了锁进入等待状态，然后其他线程进行了signal， //则当前线程会从await()方法中返回，再次判断count == queue.length //todo：哪些情况下的过早或意外？？？ while (count == queue.length) { notFullCondition.await();//释放锁，等待队列不满，即等待队列出现空位 } queue[addIndex] = t; addIndex++; if (addIndex == queue.length) { addIndex = 0; } count++; notEmptyCondition.signal(); } finally { //确保会释放锁 lock.unlock(); } } @SuppressWarnings("unchecked") public T take() throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == 0) { notEmptyCondition.await();//释放锁，等待队列不为空，即等待队列中至少有一个元素 } Object x = queue[removeIndex]; removeIndex++; if (removeIndex == queue.length) { removeIndex = 0; } count--; notFullCondition.signal();//通知那些等待队列非空的线程，可以向队列中插入元素了 return (T) x; } finally { //确保会释放锁 lock.unlock(); } } } 

TODO:Condition的实现分析

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参考

大部分来自《Java并发编程的艺术》，部分参考JDK中的注释说明。

作者：maxwellyue
链接：https://www.jianshu.com/p/6e0982253c01
来源：简书
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