Java多線程中ReentrantLock與Condition詳解
一、ReentrantLock類
1.1什么是reentrantlock
java.util.concurrent.lock中的Lock框架是鎖定的一個抽象，它允許把鎖定的實現(xiàn)作為Java類，而不是作為語言的特性來實現(xiàn)。這就為Lock的多種實現(xiàn)留下了空間，各種實現(xiàn)可能有不同的調(diào)度算法、性能特性或者鎖定語義。ReentrantLock類實現(xiàn)了Lock，它擁有與synchronized相同的并發(fā)性和內(nèi)存語義，但是添加了類似鎖投票、定時鎖等候和可中斷鎖等候的一些特性。此外，它還提供了在激烈爭用情況下更佳的性能。（換句話說，當許多線程都想訪問共享資源時，JVM可以花更少的時候來調(diào)度線程，把更多時間用在執(zhí)行線程上。）
reentrant鎖意味著什么呢？簡單來說，它有一個與鎖相關(guān)的獲取計數(shù)器，如果擁有鎖的某個線程再次得到鎖，那么獲取計數(shù)器就加1，然后鎖需要被釋放兩次才能獲得真正釋放。這模仿了synchronized的語義；如果線程進入由線程已經(jīng)擁有的監(jiān)控器保護的synchronized塊，就允許線程繼續(xù)進行，當線程退出第二個（或者后續(xù)）synchronized塊的時候，不釋放鎖，只有線程退出它進入的監(jiān)控器保護的第一個synchronized塊時，才釋放鎖。
1.2ReentrantLock與synchronized的比較
相同：ReentrantLock提供了synchronized類似的功能和內(nèi)存語義。
不同：
（1）ReentrantLock功能性方面更全面，比如時間鎖等候，可中斷鎖等候，鎖投票等，因此更有擴展性。在多個條件變量和高度競爭鎖的地方，用ReentrantLock更合適，ReentrantLock還提供了Condition，對線程的等待和喚醒等操作更加靈活，一個ReentrantLock可以有多個Condition實例，所以更有擴展性。
（2）ReentrantLock的性能比synchronized會好點。
（3）ReentrantLock提供了可輪詢的鎖請求，他可以嘗試的去取得鎖，如果取得成功則繼續(xù)處理，取得不成功，可以等下次運行的時候處理，所以不容易產(chǎn)生死鎖，而synchronized則一旦進入鎖請求要么成功，要么一直阻塞，所以更容易產(chǎn)生死鎖。
1.3ReentrantLock擴展的功能
1.3.1實現(xiàn)可輪詢的鎖請求
在內(nèi)部鎖中，死鎖是致命的——唯一的恢復(fù)方法是重新啟動程序，唯一的預(yù)防方法是在構(gòu)建程序時不要出錯。而可輪詢的鎖獲取模式具有更完善的錯誤恢復(fù)機制，可以規(guī)避死鎖的發(fā)生。
如果你不能獲得所有需要的鎖，那么使用可輪詢的獲取方式使你能夠重新拿到控制權(quán)，它會釋放你已經(jīng)獲得的這些鎖，然后再重新嘗試?？奢喸兊逆i獲取模式，由tryLock()方法實現(xiàn)。此方法僅在調(diào)用時鎖為空閑狀態(tài)才獲取該鎖。如果鎖可用，則獲取鎖，并立即返回值true。如果鎖不可用，則此方法將立即返回值false。此方法的典型使用語句如下：
Lock lock = ...;
if (lock.tryLock()) {
try {
// manipulate protected state
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
// perform alternative actions
}
1.3.2實現(xiàn)可定時的鎖請求
當使用內(nèi)部鎖時，一旦開始請求，鎖就不能停止了，所以內(nèi)部鎖給實現(xiàn)具有時限的活動帶來了風險。為了解決這一問題，可以使用定時鎖。當具有時限的活
動調(diào)用了阻塞方法，定時鎖能夠在時間預(yù)算內(nèi)設(shè)定相應(yīng)的超時。如果活動在期待的時間內(nèi)沒能獲得結(jié)果，定時鎖能使程序提前返回?？啥〞r的鎖獲取模式，由tryLock(long,TimeUnit)方法實現(xiàn)。
1.3.3實現(xiàn)可中斷的鎖獲取請求
可中斷的鎖獲取操作允許在可取消的活動中使用。lockInterruptibly()方法能夠使你獲得鎖的時候響應(yīng)中斷。
1.4ReentrantLock不好與需要注意的地方
（1）lock必須在finally塊中釋放。否則，如果受保護的代碼將拋出異常，鎖就有可能永遠得不到釋放！這一點區(qū)別看起來可能沒什么，但是實際上，它極為重要。忘記在finally塊中釋放鎖，可能會在程序中留下一個定時炸彈，當有一天炸彈爆炸時，您要花費很大力氣才有找到源頭在哪。而使用同步，JVM將確保鎖會獲得自動釋放
（2）當JVM用synchronized管理鎖定請求和釋放時，JVM在生成線程轉(zhuǎn)儲時能夠包括鎖定信息。這些對調(diào)試非常有價值，因為它們能標識死鎖或者其他異常行為的來源。Lock類只是普通的類，JVM不知道具體哪個線程擁有Lock對象。
二、條件變量Condition
條件變量很大一個程度上是為了解決Object.wait/notify/notifyAll難以使用的問題。
我們通過一個實際的例子來解釋Condition的用法：
我們要打印1到9這9個數(shù)字，由A線程先打印1，2，3，然后由B線程打印4,5,6，然后再由A線程打印7，8，9. 這道題有很多種解法，現(xiàn)在我們使用Condition來做這道題
package cn.outofmemory.locks;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class App {
static class NumberWrapper {
public int value = 1;
}
public static void main(String[] args) {
//初始化可重入鎖
final Lock lock = new ReentrantLock();
//第一個條件當屏幕上輸出到3
final Condition reachThreeCondition = lock.newCondition();
//第二個條件當屏幕上輸出到6
final Condition reachSixCondition = lock.newCondition();
//NumberWrapper只是為了封裝一個數(shù)字，一邊可以將數(shù)字對象共享，并可以設(shè)置為final
//注意這里不要用Integer, Integer 是不可變對象
final NumberWrapper num = new NumberWrapper();
//初始化A線程
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//需要先獲得鎖
lock.lock();
try {
System.out.println("threadA start write");
//A線程先輸出前3個數(shù)
while (num.value <= 3) {
System.out.println(num.value);
num.value++;
}
//輸出到3時要signal，告訴B線程可以開始了
reachThreeCondition.signal();
}
finally {
lock.unlock();
}
lock.lock();
try {
//等待輸出6的條件
reachSixCondition.await();
System.out.println("threadA start write");
//輸出剩余數(shù)字
while (num.value <= 9) {
System.out.println(num.value);
num.value++;
}
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
finally {
lock.unlock();
}
}
}
);
Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
while (num.value <= 3) {
//等待3輸出完畢的信號
reachThreeCondition.await();
}
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
finally {
lock.unlock();
}
try {
lock.lock();
//已經(jīng)收到信號，開始輸出4，5，6
System.out.println("threadB start write");
while (num.value <= 6) {
System.out.println(num.value);
num.value++;
}
//4，5，6輸出完畢，告訴A線程6輸出完了
reachSixCondition.signal();
}
finally {
lock.unlock();
}
}
}
);
//啟動兩個線程
threadB.start();
threadA.start();
}
}
上述代碼中有完整的注釋，請參考注釋，理解Condition的用法。
基本思路就是首先要A線程先寫1，2，3，這時候B線程應(yīng)該等待reachThredCondition信號，而當A線程寫完3之后就通過signal告訴B線程“我寫到3了，該你了”，這時候A線程要等嗲reachSixCondition信號，同時B線程得到通知，開始寫4，5，6，寫完4，5，6之后B線程通知A線程reachSixCondition條件成立了，這時候A線程就開始寫剩下的7，8，9了。條件（也稱為條件隊列或條件變量）為線程提供了一個含義，以便在某個狀態(tài)條件現(xiàn)在可能為true的另一個線程通知它之前，一直掛起該線程（即讓其“等待”）。因為訪問此共享狀態(tài)信息發(fā)生在不同的線程中，所以它必須受保護，因此要將某種形式的鎖與該條件相關(guān)聯(lián)。等待提供一個條件的主要屬性是：以原子方式釋放相關(guān)的鎖，并掛起當前線程，就像Object.wait做的那樣。
上述API說明表明條件變量需要與鎖綁定，而且多個Condition需要綁定到同一鎖上。前面的Lock中提到，獲取一個條件變量的方法是Lock.newCondition()。
voidawait()throwsInterruptedException; voidawaitUninterruptibly(); longawaitNanos(longnanosTimeout)throwsInterruptedException; booleanawait(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException; booleanawaitUntil(Datedeadline)throwsInterruptedException; voidsignal(); voidsignalAll();
以上是Condition接口定義的方法，await*對應(yīng)于Object.wait，signal對應(yīng)于Object.notify，signalAll對應(yīng)于Object.notifyAll。特別說明的是Condition的接口改變名稱就是為了避免與Object中的wait/notify/notifyAll的語義和使用上混淆，因為Condition同樣有wait/notify/notifyAll方法。
每一個Lock可以有任意數(shù)據(jù)的Condition對象，Condition是與Lock綁定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平鎖，線程為按照FIFO的順序從Condition.await中釋放，如果是非公平鎖，那么后續(xù)的鎖競爭就不保證FIFO順序了。
一個使用Condition實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者的模型例子如下。
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProductQueue<T> {
private final T[] items;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notFull = lock.newCondition();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
//
private int head, tail, count;
public ProductQueue(int maxSize) {
items = (T[]) new Object[maxSize];
}
public ProductQueue() {
this(10);
}
public void put(T t) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == getCapacity()) {
notFull.await();
}
items[tail] = t;
if (++tail == getCapacity()) {
tail = 0;
}
++count;
notEmpty.signalAll();
}
finally {
lock.unlock();
}
}
public T take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
notEmpty.await();
}
T ret = items[head];
items[head] = null;
//GC
//
if (++head == getCapacity()) {
head = 0;
}
--count;
notFull.signalAll();
return ret;
}
finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCapacity() {
return items.length;
}
public int size() {
lock.lock();
try {
return count;
}
finally {
lock.unlock();
}
}
}
在這個例子中消費take()需要隊列不為空，如果為空就掛起（await()），直到收到notEmpty的信號；生產(chǎn)put()需要隊列不滿，如果滿了就掛起（await()），直到收到notFull的信號。
可能有人會問題，如果一個線程lock()對象后被掛起還沒有unlock，那么另外一個線程就拿不到鎖了（lock()操作會掛起），那么就無法通知(notify)前一個線程，這樣豈不是“死鎖”了？
2.1await*操作
上一節(jié)中說過多次ReentrantLock是獨占鎖，一個線程拿到鎖后如果不釋放，那么另外一個線程肯定是拿不到鎖，所以在lock.lock()和lock.unlock()之間可能有一次釋放鎖的操作（同樣也必然還有一次獲取鎖的操作）。我們再回頭看代碼，不管take()還是put()，在進入lock.lock()后唯一可能釋放鎖的操作就是await()了。也就是說await()操作實際上就是釋放鎖，然后掛起線程，一旦條件滿足就被喚醒，再次獲取鎖！
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
上面是await()的代碼片段。上一節(jié)中說過,AQS在獲取鎖的時候需要有一個CHL的FIFO隊列，所以對于一個Condition.await()而言，如果釋放了鎖，要想再一次獲取鎖那么就需要進入隊列，等待被通知獲取鎖。完整的await()操作是安裝如下步驟進行的：
將當前線程加入Condition鎖隊列。特別說明的是，這里不同于AQS的隊列，這里進入的是Condition的FIFO隊列。后面會具體談到此結(jié)構(gòu)。進行2。
釋放鎖。這里可以看到將鎖釋放了，否則別的線程就無法拿到鎖而發(fā)生死鎖。進行3。
自旋(while)掛起，直到被喚醒或者超時或者CACELLED等。進行4。
獲取鎖(acquireQueued)。并將自己從Condition的FIFO隊列中釋放，表明自己不再需要鎖（我已經(jīng)拿到鎖了）。
這里再回頭介紹Condition的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們知道一個Condition可以在多個地方被await*()，那么就需要一個FIFO的結(jié)構(gòu)將這些Condition串聯(lián)起來，然后根據(jù)需要喚醒一個或者多個（通常是所有）。所以在Condition內(nèi)部就需要一個FIFO的隊列。
private transient Node firstWaiter; private transient Node lastWaiter;
上面的兩個節(jié)點就是描述一個FIFO的隊列。我們再結(jié)合前面提到的節(jié)點（Node）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們就發(fā)現(xiàn)Node.nextWaiter就派上用場了！nextWaiter就是將一系列的Condition.await*串聯(lián)起來組成一個FIFO的隊列。
2.2signal/signalAll操作
await*()清楚了，現(xiàn)在再來看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要將Condition.await*()中FIFO隊列中第一個Node喚醒（或者全部Node）喚醒。盡管所有Node可能都被喚醒，但是要知道的是仍然只有一個線程能夠拿到鎖，其它沒有拿到鎖的線程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
Node p = enq(node);
int c = p.waitStatus;
if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
總結(jié)
以上就是本文關(guān)于Java多線程中ReentrantLock與Condition詳解的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。有什么問題可以隨時留言，小編會及時回復(fù)大家的。
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