自 Java 5 開始，java.util.concurrent.locks 包中包含了一些鎖的實(shí)現(xiàn)，因此你不用去實(shí)現(xiàn)自己的鎖了。但是你仍然需要去了解怎樣使用這些鎖。

一個(gè)簡單的鎖

讓我們從 java 中的一個(gè)同步塊開始：

public class Counter{
  private int count = 0;

  public int inc(){
    synchronized(this){
      return ++count;
    }
  }
}

可以看到在 inc()方法中有一個(gè) synchronized(this)代碼塊。該代碼塊可以保證在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以執(zhí)行 return ++count。雖然在 synchronized 的同步塊中的代碼可以更加復(fù)雜，但是++count 這種簡單的操作已經(jīng)足以表達(dá)出線程同步的意思。

以下的 Counter 類用 Lock 代替 synchronized 達(dá)到了同樣的目的：

public class Counter{
  private Lock lock = new Lock();
  private int count = 0;

  public int inc(){
    lock.lock();
    int newCount = ++count;
    lock.unlock();
    return newCount;
  }
}

lock()方法會(huì)對(duì) Lock 實(shí)例對(duì)象進(jìn)行加鎖，因此所有對(duì)該對(duì)象調(diào)用 lock()方法的線程都會(huì)被阻塞，直到該 Lock 對(duì)象的 unlock()方法被調(diào)用。

這里有一個(gè) Lock 類的簡單實(shí)現(xiàn)：

public class Counter{
public class Lock{
  private boolean isLocked = false;

  public synchronized void lock()
    throws InterruptedException{
    while(isLocked){
      wait();
    }
    isLocked = true;
  }

  public synchronized void unlock(){
    isLocked = false;
    notify();
  }
}

注意其中的 while(isLocked)循環(huán)，它又被叫做“自旋鎖”。當(dāng) isLocked 為 true 時(shí)，調(diào)用 lock()的線程在 wait()調(diào)用上阻塞等待。為防止該線程沒有收到 notify()調(diào)用也從 wait()中返回（也稱作虛假喚醒），這個(gè)線程會(huì)重新去檢查 isLocked 條件以決定當(dāng)前是否可以安全地繼續(xù)執(zhí)行還是需要重新保持等待，而不是認(rèn)為線程被喚醒了就可以安全地繼續(xù)執(zhí)行了。如果 isLocked 為 false，當(dāng)前線程會(huì)退出 while(isLocked)循環(huán)，并將 isLocked 設(shè)回 true，讓其它正在調(diào)用 lock()方法的線程能夠在 Lock 實(shí)例上加鎖。

當(dāng)線程完成了臨界區(qū)（位于 lock()和 unlock()之間）中的代碼，就會(huì)調(diào)用 unlock()。執(zhí)行 unlock()會(huì)重新將 isLocked 設(shè)置為 false，并且通知（喚醒）其中一個(gè)（若有的話）在 lock()方法中調(diào)用了 wait()函數(shù)而處于等待狀態(tài)的線程。

鎖的可重入性

Java 中的 synchronized 同步塊是可重入的。這意味著如果一個(gè) java 線程進(jìn)入了代碼中的 synchronized 同步塊，并因此獲得了該同步塊使用的同步對(duì)象對(duì)應(yīng)的管程上的鎖，那么這個(gè)線程可以進(jìn)入由同一個(gè)管程對(duì)象所同步的另一個(gè) java 代碼塊。下面是一個(gè)例子：

public class Reentrant{
  public synchronized outer(){
    inner();
  }

  public synchronized inner(){
    //do something
  }
}

注意 outer()和 inner()都被聲明為 synchronized，這在 Java 中和 synchronized(this)塊等效。如果一個(gè)線程調(diào)用了 outer()，在 outer()里調(diào)用 inner()就沒有什么問題，因?yàn)檫@兩個(gè)方法（代碼塊）都由同一個(gè)管程對(duì)象（”this”)所同步。如果一個(gè)線程已經(jīng)擁有了一個(gè)管程對(duì)象上的鎖，那么它就有權(quán)訪問被這個(gè)管程對(duì)象同步的所有代碼塊。這就是可重入。線程可以進(jìn)入任何一個(gè)它已經(jīng)擁有的鎖所同步著的代碼塊。

前面給出的鎖實(shí)現(xiàn)不是可重入的。如果我們像下面這樣重寫 Reentrant 類，當(dāng)線程調(diào)用 outer()時(shí)，會(huì)在 inner()方法的 lock.lock()處阻塞住。

public class Reentrant2{
  Lock lock = new Lock();

  public outer(){
    lock.lock();
    inner();
    lock.unlock();
  }

  public synchronized inner(){
    lock.lock();
    //do something
    lock.unlock();
  }
}

調(diào)用 outer()的線程首先會(huì)鎖住 Lock 實(shí)例，然后繼續(xù)調(diào)用 inner()。inner()方法中該線程將再一次嘗試鎖住 Lock 實(shí)例，結(jié)果該動(dòng)作會(huì)失?。ㄒ簿褪钦f該線程會(huì)被阻塞），因?yàn)檫@個(gè) Lock 實(shí)例已經(jīng)在 outer()方法中被鎖住了。

兩次 lock()之間沒有調(diào)用 unlock()，第二次調(diào)用 lock 就會(huì)阻塞，看過 lock()實(shí)現(xiàn)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)原因很明顯：

public class Lock{
  boolean isLocked = false;

  public synchronized void lock()
    throws InterruptedException{
    while(isLocked){
      wait();
    }
    isLocked = true;
  }

  ...
}

一個(gè)線程是否被允許退出 lock()方法是由 while 循環(huán)（自旋鎖）中的條件決定的。當(dāng)前的判斷條件是只有當(dāng) isLocked 為 false 時(shí) lock 操作才被允許，而沒有考慮是哪個(gè)線程鎖住了它。

為了讓這個(gè) Lock 類具有可重入性，我們需要對(duì)它做一點(diǎn)小的改動(dòng)：

public class Lock{
  boolean isLocked = false;
  Thread lockedBy = null;
  int lockedCount = 0;

  public synchronized void lock()
    throws InterruptedException{
    Thread callingThread =
      Thread.currentThread();
    while(isLocked && lockedBy != callingThread){
      wait();
    }
    isLocked = true;
    lockedCount++;
    lockedBy = callingThread;
 }

  public synchronized void unlock(){
    if(Thread.curentThread() ==
      this.lockedBy){
      lockedCount--;

      if(lockedCount == 0){
        isLocked = false;
        notify();
      }
    }
  }

  ...
}

注意到現(xiàn)在的 while 循環(huán)（自旋鎖）也考慮到了已鎖住該 Lock 實(shí)例的線程。如果當(dāng)前的鎖對(duì)象沒有被加鎖(isLocked = false)，或者當(dāng)前調(diào)用線程已經(jīng)對(duì)該 Lock 實(shí)例加了鎖，那么 while 循環(huán)就不會(huì)被執(zhí)行，調(diào)用 lock()的線程就可以退出該方法（譯者注：“被允許退出該方法”在當(dāng)前語義下就是指不會(huì)調(diào)用 wait()而導(dǎo)致阻塞）。

除此之外，我們需要記錄同一個(gè)線程重復(fù)對(duì)一個(gè)鎖對(duì)象加鎖的次數(shù)。否則，一次 unblock()調(diào)用就會(huì)解除整個(gè)鎖，即使當(dāng)前鎖已經(jīng)被加鎖過多次。在 unlock()調(diào)用沒有達(dá)到對(duì)應(yīng) lock()調(diào)用的次數(shù)之前，我們不希望鎖被解除。

現(xiàn)在這個(gè) Lock 類就是可重入的了。

鎖的公平性

Java 的 synchronized 塊并不保證嘗試進(jìn)入它們的線程的順序。因此，如果多個(gè)線程不斷競爭訪問相同的 synchronized 同步塊，就存在一種風(fēng)險(xiǎn)，其中一個(gè)或多個(gè)線程永遠(yuǎn)也得不到訪問權(quán) —— 也就是說訪問權(quán)總是分配給了其它線程。這種情況被稱作線程饑餓。為了避免這種問題，鎖需要實(shí)現(xiàn)公平性。本文所展現(xiàn)的鎖在內(nèi)部是用 synchronized 同步塊實(shí)現(xiàn)的，因此它們也不保證公平性。

在 finally 語句中調(diào)用 unlock()

如果用 Lock 來保護(hù)臨界區(qū)，并且臨界區(qū)有可能會(huì)拋出異常，那么在 finally 語句中調(diào)用 unlock()就顯得非常重要了。這樣可以保證這個(gè)鎖對(duì)象可以被解鎖以便其它線程能繼續(xù)對(duì)其加鎖。以下是一個(gè)示例：

lock.lock();
try{
  //do critical section code,
  //which may throw exception
} finally {
  lock.unlock();
}

這個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)可以保證當(dāng)臨界區(qū)拋出異常時(shí) Lock 對(duì)象可以被解鎖。如果不是在 finally 語句中調(diào)用的 unlock()，當(dāng)臨界區(qū)拋出異常時(shí)，Lock 對(duì)象將永遠(yuǎn)停留在被鎖住的狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致其它所有在該 Lock 對(duì)象上調(diào)用 lock()的線程一直阻塞。

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