Michael的笔记本

一、简介

java.util.concurrent.locks.Lock 是一个类似于synchronized 块的线程同步机制。但是 Lock比 synchronized 块更加灵活。Lock是个接口，有个实现类是ReentrantLock。

二、Lock和syncronized的区别

synchronized是Java语言的关键字。Lock是一个接口。
synchronized不需要用户去手动释放锁，发生异常或者线程结束时自动释放锁;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。
lock可以配置公平策略,实现线程按照先后顺序获取锁。
提供了trylock方法 可以试图获取锁，获取到或获取不到时，返回不同的返回值 让程序可以灵活处理。
lock()和unlock()可以在不同的方法中执行,可以实现同一个线程在上一个方法中lock()在后续的其他方法中unlock(),比syncronized灵活的多。

三、Lock接口抽象方法

void lock()：获取锁，如果锁不可用，则出于线程调度的目的，当前线程将被禁用，并且在获取锁之前处于休眠状态。

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
  lock.unlock();   //释放锁
}

boolean tryLock()：如果锁可用立即返回true，如果锁不可用立即返回false；
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：如果锁可用，则此方法立即返回true。 如果该锁不可用，则当前线程将出于线程调度目的而被禁用并处于休眠状态，直到发生以下三种情况之一为止：①当前线程获取到该锁；②当前线程被其他线程中断，并且支持中断获取锁；③经过指定的等待时间如果获得了锁，则返回true，没获取到锁返回false。

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
}

void unlock()：释放锁。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。

四、ReentrantLock

重入锁也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。避免死锁问题的,synchronized也可重入。

4.1、synchronized重入测试

public class ReentrantDemo {
	public synchronized  void method1() {
		System.out.println("synchronized method1");
		method2();
	}
	public synchronized void method2() {
		System.out.println("synchronized method2");
	}
	public static void main(String[] args) {
		ReentrantDemo reentrantDemo = new ReentrantDemo();
		reentrantDemo.method1();
	}
}

执行结果

4.2、ReentrantLock重入测试

public class ReentrantDemo implements Runnable {
Lock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
set();
}
public void set() {
try {
lock.lock();
System.out.println("set 方法");
get();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();// 必须在finally中释放
}
}

public void get() {

try {
lock.lock();
System.out.println("get 方法");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
ReentrantDemo reentrantDemo = new ReentrantDemo();
new Thread(reentrantDemo).start();
}
}

测试结果：同一个线程，首先在set方法中获取锁，然后调用get方法，get方法中重复获取同一个锁。两个方法都执行成功。

五、ReentrantReadWriteLock（读写锁）

读写锁，可以分别获取读锁或写锁。也就是说将数据的读写操作分开，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。读锁使用共享模式；写锁使用独占模式；读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。当有读锁时，写锁就不能获得；而当有写锁时，除了获得写锁的这个线程可以获得读锁外，其他线程不能获得读锁

writeLock()：获取写锁。
readLock()：获取读锁。
执行三个线程进行读写操作，并设置一个屏障，线程依次准备就绪后未获取锁之前都在等待，当第三个线程执行 cyclicBarrier.await();后屏障解除，三个线程同时执行。

public class WriteAndReadLockTest {
private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
private static int i = 100;
public static void main(String[] args) {
threadPoolExecutor.execute(()->{
read(Thread.currentThread());
});
threadPoolExecutor.execute(()->{
write(Thread.currentThread());
});
threadPoolExecutor.execute(()->{
read(Thread.currentThread());
});
threadPoolExecutor.shutdown();
}
private static void read(Thread thread) {
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
reentrantReadWriteLock.readLock().lock();
try {
System.out.println("读线程 "+ thread.getName() + " 开始执行, i=" + i);
Thread.sleep(1000);
System.out.println(thread.getName() +" is over!");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
reentrantReadWriteLock.readLock().unlock();

}
}
private static void write(Thread thread) {
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
reentrantReadWriteLock.writeLock().lock();
try {
i++;
System.out.println("写线程 "+ thread.getName() + " is doing, i=" + i);
System.out.println(thread.getName() +" is over!");
} finally {
reentrantReadWriteLock.writeLock().unlock();
}
}
}

执行结果：线程1先获取到了读锁，因为读锁时可以共享的，所有线程3也可以获取到读锁，线程1、3读操作完成后将读锁释放后，线程2才能获取到写锁并开始执行写操作。

六、公平锁与非公平锁

公平锁：就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照FIFO的规则从队列中取到自己
非公平锁：比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式
6.1、如何实现
ReentrantLock：模式是非公平锁。也可通过构造方法创建公平锁；

public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
ReentrantReadWriteLock：默认是非公平锁，也可以通过构造方法创建公平锁；
public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}

6.2、优缺点
非公平锁性能高于公平锁性能。首先，在恢复一个被挂起的线程与该线程真正运行之间存在着严重的延迟。而且，非公平锁能更充分的利用cpu的时间片，尽量的减少cpu空闲的状态时间。

七、Condition的使用

当满足一定条件时，调用Condition的await()方法使当前线程进入休眠状态进行等待。调用Condition的signalAll()方法唤醒因await()进入休眠的线程。

Lock锁实现同步时需要使用者手动控制锁的获取和释放，其灵活性使得可以实现更复杂的多线程同步和更高的性能，但同时，使用者一定要在获取锁后及时捕获代码运行过程中的异常并在finally代码块中释放锁。

使用Lock锁及其同步条件来实现一个生产者-消费者模型：

public class MessageStorageByLock {
private int maxSize;
private List<String> messages;

private final ReentrantLock lock;
private final Condition conditionWrite;//声明两个锁条件
private final Condition conditionRead;
public MessageStorageByLock(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
messages = new LinkedList<String>();
lock = new ReentrantLock(true);//true修改锁的公平性，为true时，使用lifo队列来顺序获得锁
conditionWrite = lock.newCondition();//调用newCondition()方法，即new ConditionObject();
conditionRead = lock.newCondition();

}
public void set(String message){
//使用锁实现同步，获取所得操作，当锁被其他线程占用时，当前线程将进入休眠
lock.lock();
try{
while(messages.size() == maxSize){
System.out.print("the message buffer is full now,start into wait()\n");
conditionWrite.await();//满足条件时，线程休眠并释放锁。当调用 signalAll()时。线程唤醒并重新获得锁
}
Thread.sleep(100);
messages.add(message);
System.out.print("add message:"+message+" success\n");
conditionRead.signalAll();//唤醒因conditionRead.await()休眠的线程
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public String get(){
String message = null;
lock.lock();
try{
while(messages.size() == 0){
conditionRead.await();
System.out.print("the message buffer is empty now,start into wait()\n");
}
Thread.sleep(100);
message = ((LinkedList<String>)messages).poll();
System.out.print("get message:"+message+" success\n");
conditionWrite.signalAll();
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
return message;
}
}

Modifier and Type Method and Description
void
lock()

获得锁

void lockInterruptibly()
获取锁定，除非当前线程是 interrupted 。

Condition newCondition()
返回一个新Condition绑定到该实例Lock实例。

boolean tryLock()
只有在调用时才可以获得锁。

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
如果在给定的等待时间内是空闲的，并且当前的线程尚未得到 interrupted，则获取该锁。

void
unlock();

释放锁

package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public interface Lock {
void lock();

void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

boolean tryLock();

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

void unlock();

Condition newCondition();
}

package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.Date;

public interface Condition {

void await() throws InterruptedException;

void awaitUninterruptibly();

long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

void signal();

void signalAll();
}

八、代码举例

8.1、Demo1（先演示一下锁的可重入性）

package com.szh.lock;

/**

* 演示锁的可重入性
  */
  public class Test01 {
  
  public synchronized void metthod1() {
  System.out.println("同步方法1");
  //线程执行 metthod1() 方法,默认 this 作为锁对象,
  //在 metthod1() 方法中调用了 method2() 方法,注意当前线程还是持有 this 锁对象的
  //method2() 同步方法默认的锁对象也是 this 对象, 要执行 method2() 必须先获得 this 锁对象,
  //当前 this 对象被当前线程持有,可以 再次获得 this 对象, 这就是锁的可重入性.
  //假设锁不可重入的话,可能会造成死锁
  method2();
  }
  
  public synchronized void method2() {
  System.out.println("同步方法2");
  method3();
  }
  
  public synchronized void method3() {
  System.out.println("同步方法3");
  }
  
  public static void main(String[] args) {
  Test01 obj=new Test01();
  
  new Thread(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  obj.metthod1();
  }
  }).start();
  }
  }

运行结果

8.2、Demo2（ReentrantLock的基本使用）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/*** ReentrantLock 的基本使用
*/
public class Test02 {

//定义一个显示锁
static Lock lock=new ReentrantLock();

public static void method() {
//先获得锁
lock.lock();
//for循环此时就是同步代码块
for (int i = 0; i < 3; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---> " + i);
}
//释放锁
lock.unlock();
}

public static void main(String[] args) {
Runnable r=new Runnable() {
@Override
public void run() {
method();
}
};
//启动三个线程
new Thread(r).start();
new Thread(r).start();
new Thread(r).start();
}
}

运行结果

8.3、Demo3（使用Lock锁同步不同方法中的代码块）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 使用 Lock 锁同步不同方法中的同步代码块
  */
  public class Test03 {
  //定义锁对象
  static Lock lock=new ReentrantLock();
  
  public static void method1() {
  //经常在 try 代码块中获得 Lock 锁, 在 finally 子句中释放锁
  try {
  lock.lock(); //获得锁
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method1--- " + System.currentTimeMillis());
  Thread.sleep(1000);
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method1--- " + System.currentTimeMillis());
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  }finally {
  lock.unlock(); //释放锁
  }
  }
  
  public static void method2() {
  //经常在 try 代码块中获得 Lock 锁, 在 finally 子句中释放锁
  try {
  lock.lock(); //获得锁
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method2--- " + System.currentTimeMillis());
  Thread.sleep(1000);
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method2--- " + System.currentTimeMillis());
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  }finally {
  lock.unlock(); //释放锁
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
  
  Runnable r1=new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  method1();
  }
  };
  
  Runnable r2=new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  method2();
  }
  };
  
  new Thread(r1).start();
  new Thread(r1).start();
  
  new Thread(r2).start();
  new Thread(r2).start();
  }
  }

运行结果

8.4、Demo4（ReentrantLock锁的可重入性）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* ReentrantLock 锁的可重入性
  */
  public class Test04 {
  
  static class SubThread extends Thread {
  //定义锁对象
  private static Lock lock=new ReentrantLock();
  
  //定义变量
  private static int num=0;
  
  @Override
  public void run() {
  for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  try {
  //可重入锁指可以反复获得该锁
  lock.lock();
  lock.lock();
  num++;
  }finally {
  lock.unlock();
  lock.unlock();
  }
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  
  SubThread t1=new SubThread();
  SubThread t2=new SubThread();
  
  t1.start();
  t2.start();
  
  t1.join();
  t2.join();
  
  System.out.println(SubThread.num);
  }
  }

运行结果

8.5、Demo5（ReentrantLock的lockInterruptibly()方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* lockInterruptibly()方法
* 如果当前线程未被中断则获得锁,
* 如果当前线程被中断则出现异常.
  */
  public class Test05 {
  
  static class Service {
  private Lock lock=new ReentrantLock(); //定义锁对象
  public void serviceMethod() {
  try {
  //lock.lock();  获得锁, 即使调用了线程的 interrupt() 方法, 也没有真正的中断线程
  //如果线程被中断了, 不会获得锁, 会产生异常
  lock.lockInterruptibly();
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- begin lock");
  //执行一段耗时的操作
  for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
  new StringBuilder();
  }
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- end lock");
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " === 释放锁");
  lock.unlock(); //释放锁
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Service s=new Service();
  
  Runnable r=new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  s.serviceMethod();
  }
  };
  
  Thread t1=new Thread(r);
  t1.start();
  Thread.sleep(50);
  
  Thread t2=new Thread(r);
  t2.start();
  Thread.sleep(50);
  
  t2.interrupt(); //中断 t2 线程
  }
  }

运行结果

8.6、Demo6（lockInterruptibly()方法可以避免死锁）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 通过 ReentrantLock 锁的 lockInterruptibly() 方法避免死锁的产生
  */
  public class Test06 {
  
  static class MyLock implements Runnable {
  
  //创建两个ReentrantLock等锁对象
  private static ReentrantLock lock1=new ReentrantLock();
  private static ReentrantLock lock2=new ReentrantLock();
  
  int lockNum; //定义整数变量,决定使用哪个锁,偶数用lock1,奇数用lock2
  
  public MyLock(int lockNum) {
  this.lockNum=lockNum;
  }
  
  @Override
  public void run() {
  try {
  if (lockNum % 2 == 1) { //奇数, 先锁 1, 再锁 2
  lock1.lockInterruptibly();
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁1，还需要获得锁2");
  Thread.sleep(1000);
  lock2.lockInterruptibly();
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2");
  }else { //偶数, 先锁 2, 再锁 1
  lock2.lockInterruptibly();
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁2，还需要获得锁1");
  Thread.sleep(1000);
  lock1.lockInterruptibly();
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2");
  }
  }catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  }finally {
  if (lock1.isHeldByCurrentThread()) { //判断当前线程是否持有该锁
  lock1.unlock();
  }
  if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
  lock2.unlock();
  }
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程退出");
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  MyLock myLock1=new MyLock(11);
  MyLock myLock2=new MyLock(22);
  
  Thread t1=new Thread(myLock1);
  Thread t2=new Thread(myLock2);
  t1.start();
  t2.start();
  
  //在 main 线程, 等待 3000 ms, 如果还有线程没有结束就中断该线程
  Thread.sleep(1000 * 3);
  //可以中断任何一个线程来解决死锁, t2 线程会放弃对锁 1 的申请, 同时释放锁 2, t1 线程会完成它的任务
  if (t2.isAlive()) {
  t2.interrupt();
  }
  }
  }

运行结果

8.7、Demo7（ReentrantLock的tryLock(long time, TimeUnit unit)方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* tryLock(long time, TimeUnit unit) 的作用在给定等待时长内,
* 锁没有被另外的线程持有, 并且当前线程也没有被中断, 则获得该锁.
* 通过该方法可以实现锁对象的限时等待.
  */
  public class Test07 {
  
  static class TimeLock implements Runnable {
  private static ReentrantLock lock=new ReentrantLock(); //定义锁对象
  
  @Override
  public void run() {
  try {
  //假设 t1 线程先持有锁, 完成任务需要 4 秒钟,
  //这个时候 t2 线程尝试获得锁, t2 线程在 3 秒内还没有获得锁的话, 那么它就不再等了，直接放弃
  if (lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁，执行耗时任务");
  Thread.sleep(1000 * 4);
  /*
  假设 t1 线程先持有锁, 完成任务需要 2 秒钟
  这个时候t2 线程尝试获得锁, t2 线程会一直尝试
  在它约定尝试的 3 秒内可以获得锁对象
  */
  //Thread.sleep(1000 * 2);
  }else {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有获得锁");
  }
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
  lock.unlock();
  }
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
  TimeLock timeLock=new TimeLock();
  
  Thread t1=new Thread(timeLock);
  Thread t2=new Thread(timeLock);
  
  t1.setName("t1");
  t2.setName("t2");
  
  t1.start();
  t2.start();
  }
  }

运行结果

8.8、Demo8（ReentrantLock的tryLock()方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* tryLock() 当锁对象没有被其他线程持有的情况下, 才会获得该锁定
  */
  public class Test08 {
  
  static class Service {
  private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
  
  public void serviceMethod() {
  try {
  if (lock.tryLock()) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁定");
  Thread.sleep(1000 * 3); //模拟执行任务的时长
  }else {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有获得锁定");
  }
  }catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  }finally {
  if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
  lock.unlock();
  }
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Service service=new Service();
  
  Runnable r=new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  service.serviceMethod();
  }
  };
  
  Thread t1=new Thread(r);
  t1.start();
  Thread.sleep(100);
  Thread t2=new Thread(r);
  t2.start();
  }
  }

运行结果

8.9、Demo9（tryLock()方法可以避免死锁）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 使用 tryLock() 可以避免死锁
  */
  public class Test09 {
  
  static class MyLock implements Runnable {
  
  private static ReentrantLock lock1=new ReentrantLock();
  private static ReentrantLock lock2=new ReentrantLock();
  
  private int lockNum;
  
  public MyLock(int lockNum) {
  this.lockNum=lockNum;
  }
  
  @Override
  public void run() {
  if (lockNum % 2 == 0) { //偶数先锁 1, 再锁 2
  while (true) {
  try {
  if (lock1.tryLock()) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁1，还想获得锁2");
  Thread.sleep(50);
  try {
  if (lock2.tryLock()) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2，完成任务了");
  return;
  }
  } finally {
  if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
  lock2.unlock();
  }
  }
  }
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
  lock1.unlock();
  }
  }
  }
  }else { //奇数就先锁 2, 再锁 1
  while (true) {
  try {
  if (lock2.tryLock()) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁2，还想获得锁1");
  Thread.sleep(50);
  try {
  if (lock1.tryLock()) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2，完成任务了");
  return;
  }
  } finally {
  if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
  lock1.unlock();
  }
  }
  }
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
  lock2.unlock();
  }
  }
  }
  }
  }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
  MyLock lock1=new MyLock(11);
  MyLock lock2=new MyLock(22);
  
  Thread t1=new Thread(lock1);
  Thread t2=new Thread(lock2);
  
  t1.start();
  t2.start();
  //运行后, 使用 tryLock() 尝试获得锁, 不会傻傻的等待, 通过循环不停的再次尝试, 如果等待的时间足够长, 线程总是会获得想要的资源
  }
  }

运行结果

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