Java显式锁

显示锁是什么？

显式锁就是程序员通过 Lock 接口手动 lock() 加锁、手动 unlock() 解锁的锁。它和 synchronized 这种“隐式锁”相对

Lock 和 Condition

为何引入 Lock 和 Condition

并发编程领域两大核心问题：互斥和同步。这两大问题，管程（Monitor）都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

管程是一个理论模型，而synchronized编译之后的monitor就是这个理论的实现。这里的Lock和Condition也是。

既然 synchronized 是管程的一种实现，何必再提供 Lock 和 Condition。

JDK 1.6 以前，synchronized 还没有做优化，性能远低于 Lock。但是，性能不是引入 Lock 的最重要因素。真正关键在于：synchronized 使用不当，可能会出现死锁。

synchronized 无法通过破坏不可抢占条件来避免死锁。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

与内置锁 synchronized 不同的是，Lock 提供了一组无条件的、可轮询的、定时的以及可中断的锁操作，所有获取锁、释放锁的操作都是显式的操作。

• 能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
• 支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
• 非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

Lock 接口

Lock 的接口定义如下：

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

• lock() - 获取锁。
• unlock() - 释放锁。
• tryLock() - 尝试获取锁，仅在调用时锁未被另一个线程持有的情况下，才获取该锁。
• tryLock(long time, TimeUnit unit) - 和 tryLock() 类似，区别仅在于限定时间，如果限定时间内未获取到锁，视为失败。
• lockInterruptibly() - 锁未被另一个线程持有，且线程没有被中断的情况下，才能获取锁。
• newCondition() - 返回一个绑定到 Lock 对象上的 Condition 实例。

Condition

Condition 实现了管程模型里面的条件变量。

在单线程中，一段代码的执行可能依赖于某个状态，如果不满足状态条件，代码就不会被执行（典型的场景，如：if ... else ...）。在并发环境中，当一个线程判断某个状态条件时，其状态可能是由于其他线程的操作而改变，这时就需要有一定的协调机制来确保在同一时刻，数据只能被一个线程锁修改，且修改的数据状态被所有线程所感知。

Java 1.5 之前，主要是利用 Object 类中的 wait、notify、notifyAll 配合 synchronized 来进行线程间通信。

wait、notify、notifyAll 需要配合 synchronized 使用，不适用于 Lock。而使用 Lock 的线程，彼此间通信应该使用 Condition 。这可以理解为，什么样的锁配什么样的钥匙。内置锁（synchronized）配合内置条件队列（wait、notify、notifyAll ），显式锁（Lock）配合显式条件队列（Condition ）。

Condition 的特性

Condition 接口定义如下：

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();
}

其中，await、signal、signalAll 与 wait、notify、notifyAll 相对应，功能也相似。除此以外，Condition 相比内置条件队列（ wait、notify、notifyAll ），提供了更为丰富的功能：

• 每个锁（Lock）上可以存在多个 Condition，这意味着锁的状态条件可以有多个。
• 支持公平的或非公平的队列操作。
• 支持可中断的条件等待，相关方法：awaitUninterruptibly() 。
• 支持可定时的等待，相关方法：awaitNanos(long) 、await(long, TimeUnit)、awaitUntil(Date)。

Condition 的用法

这里以 Condition 来实现一个消费者、生产者模式。

产品类

class Message {

    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    private final Condition producedMsg = lock.newCondition();

    private final Condition consumedMsg = lock.newCondition();

    private String message;

    private boolean state;

    private boolean end;

    public void consume() {
        //lock
        lock.lock();
        try {
            // no new message wait for new message
            while (!state) { producedMsg.await(); }

            System.out.println("consume message : " + message);
            state = false;
            // message consumed, notify waiting thread
            consumedMsg.signal();
        } catch (InterruptedException ie) {
            System.out.println("Thread interrupted - viewMessage");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void produce(String message) {
        lock.lock();
        try {
            // last message not consumed, wait for it be consumed
            while (state) { consumedMsg.await(); }

            System.out.println("produce msg: " + message);
            this.message = message;
            state = true;
            // new message added, notify waiting thread
            producedMsg.signal();
        } catch (InterruptedException ie) {
            System.out.println("Thread interrupted - publishMessage");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean isEnd() {
        return end;
    }

    public void setEnd(boolean end) {
        this.end = end;
    }

}

消费者

class MessageConsumer implements Runnable {

    private Message message;

    public MessageConsumer(Message msg) {
        message = msg;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!message.isEnd()) { message.consume(); }
    }

}

生产者

class MessageProducer implements Runnable {

    private Message message;

    public MessageProducer(Message msg) {
        message = msg;
    }

    @Override
    public void run() {
        produce();
    }

    public void produce() {
        List<String> msgs = new ArrayList<>();
        msgs.add("Begin");
        msgs.add("Msg1");
        msgs.add("Msg2");

        for (String msg : msgs) {
            message.produce(msg);
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        message.produce("End");
        message.setEnd(true);
    }

}

测试

public class LockConditionDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Message msg = new Message();
        Thread producer = new Thread(new MessageProducer(msg));
        Thread consumer = new Thread(new MessageConsumer(msg));
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

ReentrantLock

ReentrantLock 类是 Lock 接口的具体实现，与内置锁 synchronized 相同的是，它是一个可重入锁。

ReentrantLock 的特性

ReentrantLock 的特性如下：

• ReentrantLock 提供了与 synchronized 相同的互斥性、内存可见性和可重入性。
• ReentrantLock 支持公平锁和非公平锁（默认）两种模式。
• ReentrantLock 实现了 Lock 接口，支持了 synchronized 所不具备的灵活性。
  • synchronized 无法中断一个正在等待获取锁的线程
  • synchronized 无法在请求获取一个锁时无休止地等待

ReentrantLock 的用法

前文了解了 ReentrantLock 的特性，接下来，我们要讲述其具体用法。

ReentrantLock 的构造方法

ReentrantLock 有两个构造方法：

public ReentrantLock() {}
public ReentrantLock(boolean fair) {}

• ReentrantLock() - 默认构造方法会初始化一个非公平锁（NonfairSync）；
• ReentrantLock(boolean) - new ReentrantLock(true) 会初始化一个公平锁（FairSync）。

lock 和 unlock 方法

• lock() - 无条件获取锁。如果当前线程无法获取锁，则当前线程进入休眠状态不可用，直至当前线程获取到锁。如果该锁没有被另一个线程持有，则获取该锁并立即返回，将锁的持有计数设置为 1。
• unlock() - 用于释放锁。

🔔 注意：请务必牢记，获取锁操作 lock() 必须在 try catch 块中进行，并且将释放锁操作 unlock() 放在 finally 块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。

示例：ReentrantLock 的基本操作

public class ReentrantLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        MyThread tA = new MyThread("Thread-A", task);
        MyThread tB = new MyThread("Thread-B", task);
        MyThread tC = new MyThread("Thread-C", task);
        tA.start();
        tB.start();
        tC.start();
    }

    static class MyThread extends Thread {

        private Task task;

        public MyThread(String name, Task task) {
            super(name);
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            task.execute();
        }

    }

    static class Task {

        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        public void execute() {
            lock.lock();
            try {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println(lock.toString());

                    // 查询当前线程 hold 住此锁的次数
                    System.out.println("\t holdCount: " + lock.getHoldCount());

                    // 查询正等待获取此锁的线程数
                    System.out.println("\t queuedLength: " + lock.getQueueLength());

                    // 是否为公平锁
                    System.out.println("\t isFair: " + lock.isFair());

                    // 是否被锁住
                    System.out.println("\t isLocked: " + lock.isLocked());

                    // 是否被当前线程持有锁
                    System.out.println("\t isHeldByCurrentThread: " + lock.isHeldByCurrentThread());

                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }

}

输出结果：

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock@64fcd88a[Locked by thread Thread-A]
	 holdCount: 1
	 queuedLength: 2
	 isFair: false
	 isLocked: true
	 isHeldByCurrentThread: true
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock@64fcd88a[Locked by thread Thread-C]
	 holdCount: 1
	 queuedLength: 1
	 isFair: false
	 isLocked: true
	 isHeldByCurrentThread: true
// ...

tryLock 方法

与无条件获取锁相比，tryLock 有更完善的容错机制。

• tryLock() - 可轮询获取锁。如果成功，则返回 true；如果失败，则返回 false。也就是说，这个方法无论成败都会立即返回，获取不到锁（锁已被其他线程获取）时不会一直等待。
• tryLock(long, TimeUnit) - 可定时获取锁。和 tryLock() 类似，区别仅在于这个方法在获取不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还获取不到锁，就返回 false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回 true。

示例：ReentrantLock 的 tryLock() 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    if (lock.tryLock()) {
        try {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
               // 略...
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } else {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁失败");
    }
}

示例：ReentrantLock 的 tryLock(long, TimeUnit) 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    try {
        if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
            try {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    // 略...
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁失败");
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁超时");
        e.printStackTrace();
    }
}

lockInterruptibly 方法

• lockInterruptibly() - 可中断获取锁。可中断获取锁可以在获得锁的同时保持对中断的响应。可中断获取锁比其它获取锁的方式稍微复杂一些，需要两个 try-catch 块（如果在获取锁的操作中抛出了 InterruptedException ，那么可以使用标准的 try-finally 加锁模式）。
  • 举例来说：假设有两个线程同时通过 lock.lockInterruptibly() 获取某个锁时，若线程 A 获取到了锁，则线程 B 只能等待。若此时对线程 B 调用 threadB.interrupt() 方法能够中断线程 B 的等待过程。由于 lockInterruptibly() 的声明中抛出了异常，所以 lock.lockInterruptibly() 必须放在 try 块中或者在调用 lockInterruptibly() 的方法外声明抛出 InterruptedException。

注意：当一个线程获取了锁之后，是不会被 interrupt() 方法中断的。单独调用 interrupt() 方法不能中断正在运行状态中的线程，只能中断阻塞状态中的线程。因此当通过 lockInterruptibly() 方法获取某个锁时，如果未获取到锁，只有在等待的状态下，才可以响应中断。

示例：ReentrantLock 的 lockInterruptibly() 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    try {
        lock.lockInterruptibly();

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            // 略...
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被中断");
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

newCondition 方法

newCondition() - 返回一个绑定到 Lock 对象上的 Condition 实例。Condition 的特性和具体方法暂时不考虑

ReentrantLock 的原理

ReentrantLock 通过内存屏障和 happens-before 关系来保证可见性。

happens-before 是 Java 内存模型（JMM）中的核心概念，它定义了操作之间的内存可见性保证，是理解 Java 并发编程的基础。

什么是 Happens-Before？
Happens-Before 关系表示：如果操作 A happens-before 操作 B，那么：

• A 操作的结果对 B 操作可见
• A 操作按顺序排在 B 操作之前

🔔注意：这并不一定意味着在时间上 A 真的在 B 之前执行，而是指从内存可见性的角度来看，A 的效果对 B 是可见的。

参考

• https://dunwu.github.io/