java高并發(fā)的ReentrantLock重入鎖
synchronized的局限性
synchronized是java內(nèi)置的關(guān)鍵字，它提供了一種獨(dú)占的加鎖方式。synchronized的獲取和釋放鎖由jvm實(shí)現(xiàn)，用戶不需要顯示的釋放鎖，非常方便，然而synchronized也有一定的局限性，例如：
1.當(dāng)線程嘗試獲取鎖的時(shí)候，如果獲取不到鎖會(huì)一直阻塞，這個(gè)阻塞的過程，用戶無法控制
2.如果獲取鎖的線程進(jìn)入休眠或者阻塞，除非當(dāng)前線程異常，否則其他線程嘗試獲取鎖必須一直等待
JDK1.5之后發(fā)布，加入了Doug Lea實(shí)現(xiàn)的java.util.concurrent包。包內(nèi)提供了Lock類，用來提供更多擴(kuò)展的加鎖功能。Lock彌補(bǔ)了synchronized的局限，提供了更加細(xì)粒度的加鎖功能。
ReentrantLock
ReentrantLock是Lock的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，在聊ReentranLock之前，我們需要先弄清楚一些概念：
1.可重入鎖：可重入鎖是指同一個(gè)線程可以多次獲得同一把鎖；ReentrantLock和關(guān)鍵字Synchronized都是可重入鎖
2.可中斷鎖：可中斷鎖時(shí)只線程在獲取鎖的過程中，是否可以相應(yīng)線程中斷操作。synchronized是不可中斷的，ReentrantLock是可中斷的
3.公平鎖和非公平鎖：公平鎖是指多個(gè)線程嘗試獲取同一把鎖的時(shí)候，獲取鎖的順序按照線程到達(dá)的先后順序獲取，而不是隨機(jī)插隊(duì)的方式獲取。synchronized是非公平鎖，而ReentrantLock是兩種都可以實(shí)現(xiàn)，不過默認(rèn)是非公平鎖
ReentrantLock基本使用
我們使用3個(gè)線程來對(duì)一個(gè)共享變量++操作，先使用synchronized實(shí)現(xiàn)，然后使用ReentrantLock實(shí)現(xiàn)。
synchronized方式：
package com.itsoku.chat06;
/**
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*/
public class Demo2 {
private static int num = 0;
private static synchronized void add() {
num++;
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo2.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo2.num);
}
}
ReentrantLock方式：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo3 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static void add() {
lock.lock();
try {
num++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo3.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo3.num);
}
}
ReentrantLock的使用過程：
1.創(chuàng)建鎖：ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
2.獲取鎖：lock.lock()
3.釋放鎖：lock.unlock();
對(duì)比上面的代碼，與關(guān)鍵字synchronized相比，ReentrantLock鎖有明顯的操作過程，開發(fā)人員必須手動(dòng)的指定何時(shí)加鎖，何時(shí)釋放鎖，正是因?yàn)檫@樣手動(dòng)控制，ReentrantLock對(duì)邏輯控制的靈活度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于關(guān)鍵字synchronized，上面代碼需要注意lock.unlock()一定要放在finally中，否則，若程序出現(xiàn)了異常，鎖沒有釋放，那么其他線程就再也沒有機(jī)會(huì)獲取這個(gè)鎖了。
ReentrantLock是可重入鎖
來驗(yàn)證一下ReentrantLock是可重入鎖，實(shí)例代碼：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo4 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static void add() {
lock.lock();
lock.lock();
try {
num++;
} finally {
lock.unlock();
lock.unlock();
}
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo4.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo4.num);
}
}
上面代碼中add()方法中，當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行2次獲取鎖的操作，運(yùn)行程序可以正常結(jié)束，并輸出和期望值一樣的30000，假如ReentrantLock是不可重入的鎖，那么同一個(gè)線程第2次獲取鎖的時(shí)候由于前面的鎖還未釋放而導(dǎo)致死鎖，程序是無法正常結(jié)束的。ReentrantLock命名也挺好的Re entrant Lock，和其名字一樣，可重入鎖。
代碼中還有幾點(diǎn)需要注意：
1.lock()方法和unlock()方法需要成對(duì)出現(xiàn)，鎖了幾次，也要釋放幾次，否則后面的線程無法獲取鎖了；可以將add中的unlock刪除一個(gè)事實(shí)，上面代碼運(yùn)行將無法結(jié)束
2.unlock()方法放在finally中執(zhí)行，保證不管程序是否有異常，鎖必定會(huì)釋放
ReentrantLock實(shí)現(xiàn)公平鎖
在大多數(shù)情況下，鎖的申請(qǐng)都是非公平的，也就是說，線程1首先請(qǐng)求鎖A，接著線程2也請(qǐng)求了鎖A。那么當(dāng)鎖A可用時(shí)，是線程1可獲得鎖還是線程2可獲得鎖呢？這是不一定的，系統(tǒng)只是會(huì)從這個(gè)鎖的等待隊(duì)列中隨機(jī)挑選一個(gè)，因此不能保證其公平性。這就好比買票不排隊(duì)，大家都圍在售票窗口前，售票員忙的焦頭爛額，也顧及不上誰先誰后，隨便找個(gè)人出票就完事了，最終導(dǎo)致的結(jié)果是，有些人可能一直買不到票。而公平鎖，則不是這樣，它會(huì)按照到達(dá)的先后順序獲得資源。公平鎖的一大特點(diǎn)是：它不會(huì)產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象，只要你排隊(duì)，最終還是可以等到資源的；synchronized關(guān)鍵字默認(rèn)是有jvm內(nèi)部實(shí)現(xiàn)控制的，是非公平鎖。而ReentrantLock運(yùn)行開發(fā)者自己設(shè)置鎖的公平性。
看一下jdk中ReentrantLock的源碼，2個(gè)構(gòu)造方法：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
默認(rèn)構(gòu)造方法創(chuàng)建的是非公平鎖。
第2個(gè)構(gòu)造方法，有個(gè)fair參數(shù)，當(dāng)fair為true的時(shí)候創(chuàng)建的是公平鎖，公平鎖看起來很不錯(cuò)，不過要實(shí)現(xiàn)公平鎖，系統(tǒng)內(nèi)部肯定需要維護(hù)一個(gè)有序隊(duì)列，因此公平鎖的實(shí)現(xiàn)成本比較高，性能相對(duì)于非公平鎖來說相對(duì)低一些。因此，在默認(rèn)情況下，鎖是非公平的，如果沒有特別要求，則不建議使用公平鎖。
公平鎖和非公平鎖在程序調(diào)度上是很不一樣，來一個(gè)公平鎖示例看一下：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo5 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
fairLock.lock();
try {
System.out.println(this.getName() + "獲得鎖!");
} finally {
fairLock.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
T t3 = new T("t3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
}
}
運(yùn)行結(jié)果輸出：
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
看一下輸出的結(jié)果，鎖時(shí)按照先后順序獲得的。
修改一下上面代碼，改為非公平鎖試試，如下：
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(false);
運(yùn)行結(jié)果如下：
t1獲得鎖! t3獲得鎖! t3獲得鎖! t3獲得鎖! t3獲得鎖! t1獲得鎖! t1獲得鎖! t1獲得鎖! t1獲得鎖! t2獲得鎖! t2獲得鎖! t2獲得鎖! t2獲得鎖! t2獲得鎖! t3獲得鎖!
可以看到t3可能會(huì)連續(xù)獲得鎖，結(jié)果是比較隨機(jī)的，不公平的。
ReentrantLock獲取鎖的過程是可中斷的
對(duì)于synchronized關(guān)鍵字，如果一個(gè)線程在等待獲取鎖，最終只有2種結(jié)果：
1.要么獲取到鎖然后繼續(xù)后面的操作
2.要么一直等待，直到其他線程釋放鎖為止
而ReentrantLock提供了另外一種可能，就是在等的獲取鎖的過程中（發(fā)起獲取鎖請(qǐng)求到還未獲取到鎖這段時(shí)間內(nèi)）是可以被中斷的，也就是說在等待鎖的過程中，程序可以根據(jù)需要取消獲取鎖的請(qǐng)求。有些使用這個(gè)操作是非常有必要的。比如：你和好朋友越好一起去打球，如果你等了半小時(shí)朋友還沒到，突然你接到一個(gè)電話，朋友由于突發(fā)狀況，不能來了，那么你一定達(dá)到回府。中斷操作正是提供了一套類似的機(jī)制，如果一個(gè)線程正在等待獲取鎖，那么它依然可以收到一個(gè)通知，被告知無需等待，可以停止工作了。
示例代碼：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo6 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
int lock;
public T(String name, int lock) {
super(name);
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
if (this.lock == 1) {
lock1.lockInterruptibly();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock2.lockInterruptibly();
} else {
lock2.lockInterruptibly();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock1.lockInterruptibly();
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("中斷標(biāo)志:" + this.isInterrupted());
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
lock2.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);
t1.start();
t2.start();
}
}
先運(yùn)行一下上面代碼，發(fā)現(xiàn)程序無法結(jié)束，使用jstack查看線程堆棧信息，發(fā)現(xiàn)2個(gè)線程死鎖了。
Found one Java-level deadlock: ============================= "t2": waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c20, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync), which is held by "t1" "t1": waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c50, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync), which is held by "t2"
lock1被線程t1占用，lock2倍線程t2占用，線程t1在等待獲取lock2，線程t2在等待獲取lock1，都在相互等待獲取對(duì)方持有的鎖，最終產(chǎn)生了死鎖，如果是在synchronized關(guān)鍵字情況下發(fā)生了死鎖現(xiàn)象，程序是無法結(jié)束的。
我們隊(duì)上面代碼改造一下，線程t2一直無法獲取到lock1，那么等待5秒之后，我們中斷獲取鎖的操作。主要修改一下main方法，如下：
T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);
t1.start();
t2.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
t2.interrupt();
新增了2行代碼 TimeUnit.SECONDS.sleep(5);t2.interrupt();，程序可以結(jié)束了，運(yùn)行結(jié)果：
java.lang.InterruptedException
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:898)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1222)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
at com.itsoku.chat06.Demo6$T.run(Demo6.java:31)
中斷標(biāo)志:false
從上面信息中可以看出，代碼的31行觸發(fā)了異常，中斷標(biāo)志輸出：false
t2在31行一直獲取不到lock1的鎖，主線程中等待了5秒之后，t2線程調(diào)用了 interrupt()方法，將線程的中斷標(biāo)志置為true，此時(shí)31行會(huì)觸發(fā) InterruptedException異常，然后線程t2可以繼續(xù)向下執(zhí)行，釋放了lock2的鎖，然后線程t1可以正常獲取鎖，程序得以繼續(xù)進(jìn)行。線程發(fā)送中斷信號(hào)觸發(fā)InterruptedException異常之后，中斷標(biāo)志將被清空。
關(guān)于獲取鎖的過程中被中斷，注意幾點(diǎn):
1.ReentrankLock中必須使用實(shí)例方法 lockInterruptibly()獲取鎖時(shí)，在線程調(diào)用interrupt()方法之后，才會(huì)引發(fā) InterruptedException異常
2.線程調(diào)用interrupt()之后，線程的中斷標(biāo)志會(huì)被置為true
3.觸發(fā)InterruptedException異常之后，線程的中斷標(biāo)志有會(huì)被清空，即置為false
4.所以當(dāng)線程調(diào)用interrupt()引發(fā)InterruptedException異常，中斷標(biāo)志的變化是:false->true->false
ReentrantLock鎖申請(qǐng)等待限時(shí)
申請(qǐng)鎖等待限時(shí)是什么意思？一般情況下，獲取鎖的時(shí)間我們是不知道的，synchronized關(guān)鍵字獲取鎖的過程中，只能等待其他線程把鎖釋放之后才能夠有機(jī)會(huì)獲取到所。所以獲取鎖的時(shí)間有長有短。如果獲取鎖的時(shí)間能夠設(shè)置超時(shí)時(shí)間，那就非常好了。
ReentrantLock剛好提供了這樣功能，給我們提供了獲取鎖限時(shí)等待的方法 tryLock()，可以選擇傳入時(shí)間參數(shù)，表示等待指定的時(shí)間，無參則表示立即返回鎖申請(qǐng)的結(jié)果：true表示獲取鎖成功，false表示獲取鎖失敗。
tryLock無參方法
看一下源碼中tryLock方法：
public boolean tryLock()
返回boolean類型的值，此方法會(huì)立即返回，結(jié)果表示獲取鎖是否成功，示例：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo8 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "開始獲取鎖!");
//獲取鎖超時(shí)時(shí)間設(shè)置為3秒，3秒內(nèi)是否能否獲取鎖都會(huì)返回
if (lock1.tryLock()) {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "獲取到了鎖!");
//獲取到鎖之后，休眠5秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} else {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能獲取到鎖!");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
代碼中獲取鎖成功之后，休眠5秒，會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)線程獲取鎖失敗，運(yùn)行代碼，輸出：
1563356291081:t2開始獲取鎖!
1563356291081:t2獲取到了鎖!
1563356291081:t1開始獲取鎖!
1563356291081:t1未能獲取到鎖!
可以看到t2獲取成功，t1獲取失敗了，tryLock()是立即響應(yīng)的，中間不會(huì)有阻塞。
tryLock有參方法
可以明確設(shè)置獲取鎖的超時(shí)時(shí)間，該方法簽名：
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
該方法在指定的時(shí)間內(nèi)不管是否可以獲取鎖，都會(huì)返回結(jié)果，返回true，表示獲取鎖成功，返回false表示獲取失敗。此方法由2個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是時(shí)間類型，是一個(gè)枚舉，可以表示時(shí)、分、秒、毫秒等待，使用比較方便，第1個(gè)參數(shù)表示在時(shí)間類型上的時(shí)間長短。此方法在執(zhí)行的過程中，如果調(diào)用了線程的中斷interrupt()方法，會(huì)觸發(fā)InterruptedException異常。
示例：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 微信公眾號(hào)：路人甲Java，專注于java技術(shù)分享（帶你玩轉(zhuǎn) 爬蟲、分布式事務(wù)、異步消息服務(wù)、任務(wù)調(diào)度、分庫分表、大數(shù)據(jù)等），喜歡請(qǐng)關(guān)注！
*/
public class Demo7 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "開始獲取鎖!");
//獲取鎖超時(shí)時(shí)間設(shè)置為3秒，3秒內(nèi)是否能否獲取鎖都會(huì)返回
if (lock1.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "獲取到了鎖!");
//獲取到鎖之后，休眠5秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} else {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能獲取到鎖!");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
程序中調(diào)用了ReentrantLock的實(shí)例方法 tryLock(3,TimeUnit.SECONDS)，表示獲取鎖的超時(shí)時(shí)間是3秒，3秒后不管是否能否獲取鎖，該方法都會(huì)有返回值，獲取到鎖之后，內(nèi)部休眠了5秒，會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)線程獲取鎖失敗。
運(yùn)行程序，輸出：
1563355512901:t2開始獲取鎖!
1563355512901:t1開始獲取鎖!
1563355512902:t2獲取到了鎖!
1563355515904:t1未能獲取到鎖!
輸出結(jié)果中分析，t2獲取到鎖了，然后休眠了5秒，t1獲取鎖失敗，t1打印了2條信息，時(shí)間相差3秒左右。
關(guān)于tryLock()方法和tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，說明一下：
1.都會(huì)返回boolean值，結(jié)果表示獲取鎖是否成功
2.tryLock()方法，不管是否獲取成功，都會(huì)立即返回；而有參的tryLock方法會(huì)嘗試在指定的時(shí)間內(nèi)去獲取鎖，中間會(huì)阻塞的現(xiàn)象，在指定的時(shí)間之后會(huì)不管是否能夠獲取鎖都會(huì)返回結(jié)果
3.tryLock()方法不會(huì)響應(yīng)線程的中斷方法；而有參的tryLock方法會(huì)響應(yīng)線程的中斷方法，而出發(fā) InterruptedException異常，這個(gè)從2個(gè)方法的聲明上可以可以看出來
ReentrantLock其他常用的方法
isHeldByCurrentThread：實(shí)例方法，判斷當(dāng)前線程是否持有ReentrantLock的鎖，上面代碼中有使用過。
獲取鎖的4種方法對(duì)比
| 獲取鎖的方法 | 是否立即響應(yīng)(不會(huì)阻塞) | 是否響應(yīng)中斷 |
|---|---|---|
| lock() | × | × |
| lockInterruptibly() | × | √ |
| tryLock() | √ | × |
| tryLock(long timeout, TimeUnit unit) | × | √ |
總結(jié)
1.ReentrantLock可以實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖
2.ReentrantLock默認(rèn)實(shí)現(xiàn)的是非公平鎖
3.ReentrantLock的獲取鎖和釋放鎖必須成對(duì)出現(xiàn)，鎖了幾次，也要釋放幾次
4.釋放鎖的操作必須放在finally中執(zhí)行
5.lockInterruptibly()實(shí)例方法可以相應(yīng)線程的中斷方法，調(diào)用線程的interrupt()方法時(shí)，lockInterruptibly()方法會(huì)觸發(fā) InterruptedException異常
6.關(guān)于 InterruptedException異常說一下，看到方法聲明上帶有 throwsInterruptedException，表示該方法可以相應(yīng)線程中斷，調(diào)用線程的interrupt()方法時(shí)，這些方法會(huì)觸發(fā) InterruptedException異常，觸發(fā)InterruptedException時(shí)，線程的中斷中斷狀態(tài)會(huì)被清除。所以如果程序由于調(diào)用 interrupt()方法而觸發(fā) InterruptedException異常，線程的標(biāo)志由默認(rèn)的false變?yōu)閠ure，然后又變?yōu)閒alse
7.實(shí)例方法tryLock()獲會(huì)嘗試獲取鎖，會(huì)立即返回，返回值表示是否獲取成功
8.實(shí)例方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit)會(huì)在指定的時(shí)間內(nèi)嘗試獲取鎖，指定的時(shí)間內(nèi)是否能夠獲取鎖，都會(huì)返回，返回值表示是否獲取鎖成功，該方法會(huì)響應(yīng)線程的中斷
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