前言

本文隶属于专栏《100个问题搞定Java并发》,该专栏为笔者原创,引用请注明来源,不足和错误之处请在评论区帮忙指出,谢谢!

本专栏目录结构和参考文献请见100个问题搞定Java并发

正文

重入锁可以替代关键字 synchronized 。

在 JDK5.0 的早期版本中,重入锁的性能远远优于关键字 synchronized ,

但从 JDK6.0 开始, JDK 在关键字 synchronized 上做了大量的优化,使得两者的性能差距并不大。

重入锁使用 ReentrantLock 实现

1、重入锁

package com.shockang.study.java.concurrent.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static int i = 0;

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
            lock.lock();
            lock.lock();
            try {
                i++;
            } finally {
                lock.unlock();
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLockDemo tl = new ReentrantLockDemo();
        Thread t1 = new Thread(tl);
        Thread t2 = new Thread(tl);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

控制台打印

20000000

说明

一个线程连续两次获得同一把锁是允许的。

如果不允许这么操作,那么同一个线程在第 2 次获得锁时,将会和自己产生死锁。

程序就会“卡死”在第 2 次申请锁的过程中。

但需要注意的是,如果同一个线程多次获得锁,那么在释放锁的时候,也必须释放相同次数。

如果释放锁的次数多了,那么会得到一个 java.lang.IllegalMonitorStateException 异常,反之,如果释放锁的次数少了,那么相当于线程还持有这个锁,因此,其他线程也无法进入临界区。

2、中断响应

对于关键字 synchronized 来说,如果一个线程在等待锁,那么结果只有两种情况,要么它获得这把锁继续执行,要么它就保持等待。

而使用重入锁,则提供另外一种可能,那就是线程可以被中断。

也就是在等待锁的过程中,程序可以根据需要取消对锁的请求。

有些时候,这么做是非常有必要的。

比如,你和朋友约好一起去打球,如果你等了半个小时朋友还没有到,你突然接到一个电话,说由于突发情况,朋友不能如约前来了,那么你一定扫兴地打道回府了。

中断正是提供了一套类似的机制。

如果一个线程正在等待锁,那么它依然可以收到一个通知,被告知无须等待,可以停止工作了。

这种情况对于处理死锁是有一定帮助的。

下面的代码产生了一个死锁,但得益于锁中断,我们可以很轻易地解决这个死锁。

package com.shockang.study.java.concurrent.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class IntLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;

    /**
     * 控制加锁顺序,方便构造死锁
     *
     * @param lock
     */
    public IntLock(int lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            if (lock == 1) {
                lock1.lockInterruptibly();
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                lock2.lockInterruptibly();
            } else {
                lock2.lockInterruptibly();
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                lock1.lockInterruptibly();
            }

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (lock1.isHeldByCurrentThread())
                lock1.unlock();
            if (lock2.isHeldByCurrentThread())
                lock2.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":线程退出");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IntLock r1 = new IntLock(1);
        IntLock r2 = new IntLock(2);
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(1000);
        //中断其中一个线程
        t2.interrupt();
    }
}

控制台输出

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.shockang.study.java.concurrent.lock.IntLock.run(IntLock.java:35)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
11:线程退出
12:线程退出

说明

线程 t1 和 t2 启动后, t1 先占用 lock1 ,再占用 lock2。

t2 先占用 lock2 ,再请求 lock1。

因此,很容易形成 t1 和 t2 之间的相互等待。

在这里,对锁的请求,统一使用 lockInterruptibly() 方法。

这是一个可以对中断进行响应的锁申请动作,即在等待锁的过程中,可以响应中断。

在代码第 56 行,主线程 main 处于休眠状态,此时,这两个线程处于死锁的状态。

在代码第 58 行,由于 t2 线程被中断,故 t2 会放弃对 lock1 的申请,同时释放已获得的 lock2 。

这个操作导致 t1 线程可以顺利得到 lock2 而继续执行下去。

3、锁申请等待限时

除了等待外部通知之外,要避免死锁还有另外一种方法,那就是限时等待。

依然以约朋友打球为例,如果朋友退退不来,又无法联系到他,那么在等待 1 到 2 个小时后,我想大部分人都会扫兴离去。

对线程来说也是这样。

通常,我们无法判断为什么一个线程退迟拿不到锁。

也许是因为死锁了,也许是因为产生了饥饿。

如果给定一个等待时间,让线程自动放弃,那么对系统来说是有意义的。

我们可以使用 tryLock() 方法进行一次限时的等待。

tryLock(long, TimeUnit)

下面这段代码展示了限时等待锁的使用。

package com.shockang.study.java.concurrent.lock;

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

public class TimeLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        try {
            if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                Thread.sleep(6000);
            } else {
                System.out.println("get lock failed");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TimeLock tl = new TimeLock();
        Thread t1 = new Thread(tl);
        Thread t2 = new Thread(tl);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

控制台打印

get lock failed
Exception in thread "Thread-1" java.lang.IllegalMonitorStateException
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
	at com.shockang.study.java.concurrent.lock.TimeLock.run(TimeLock.java:20)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

说明

在这里, tryLock() 方法接收两个参数,一个表示等待时长,另外一个表示计时单位。

这里的单位设置为秒,时长为 5 ,表示线程在这个锁请求中最多等待 5 秒。

如果超过 5 秒还没有得到锁,就会返回 false 。

如果成功获得锁,则返回 true 。

在本例中,由于占用锁的线程会持有锁长达 6 秒,故另一个线程无法在 5 秒的等待时间内获得锁,因此请求锁会失败。

tryLock()

ReentrantLock.tryLock() 方法也可以不带参数直接运行。

在这种情况下,当前线程会尝试获得锁,如果锁并未被其他线程占用,则申请锁会成功,并立即返回 true 。

如果锁被其他线程占用,则当前线程不会进行等待,而是立即返回 false 。

这种模式不会引起线程等待,因此也不会产生死锁。

package com.shockang.study.java.concurrent.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TryLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;

    public TryLock(int lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (lock == 1) {
            while (true) {
                if (lock1.tryLock()) {
                    try {
                        try {
                            Thread.sleep(500);
                        } catch (InterruptedException e) {
                        }
                        if (lock2.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(Thread.currentThread()
                                        .getId() + ":My Job done");
                                return;
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                }
            }
        } else {
            while (true) {
                if (lock2.tryLock()) {
                    try {
                        try {
                            Thread.sleep(500);
                        } catch (InterruptedException e) {
                        }
                        if (lock1.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(Thread.currentThread()
                                        .getId() + ":My Job done");
                                return;
                            } finally {
                                lock1.unlock();
                            }
                        }
                    } finally {
                        lock2.unlock();
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TryLock r1 = new TryLock(1);
        TryLock r2 = new TryLock(2);
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

控制台输出

11:My Job done
12:My Job done

说明

上述代码采用了非常容易死锁的加锁顺序。

也就是先让 t1 获得 lock1 ,再让 2 获得 lock2 ,接着做反向请求,让 t1 申请 lock2 , t2 申请 lock1 。

在一般情况下,这会导致 t1 和 2 相互等待。

待,从而引起死锁。

但是使用 tryLock() 方法后,这种情况就大大改善了。

由于线程不会傻傻地等待,而是不停地尝试,因此,只要执行足够长的时间,线程总是会得到所有需要的资源,从而正常执行(这里以线程同时获得 lock1 和 lock2 两把锁,作为其可以正常执行的条件)。

在同时获得 lock1 和 lock2 后,线程就打印出标志着任务完成的信息“ My Job done”。

4、公平锁

在大多数情况下,锁的申请都是非公平的。

也就是说,线程 1 首先请求了锁 A ,接着线程 2 也请求了锁 A 。

那么当锁 A 可用时,是线程 1 可以获得锁还是线程 2 可以获得锁呢?

这是不一定的,系统只是会从这个锁的等待队列中随机挑选一个。

因此不能保证其公平性。

这就好比买票不排队,大家都围在售票窗口前,售票员忙得焦头烂额,也顾不及谁先谁后,随便找个人出票就完事了。

而公平的锁,则不是这样,它会按照时间的先后顺序,保证先到者先得,后到者后得。

公平锁的一大特点是:它不会产生饥饿现象

关于线程饥饿请参考我的博客——死锁、活锁和饥饿是什么意思?

只要你排队,最终还是可以等到资源的。

如果我们使用 synchronized 关键字进行锁控制,那么产生的锁就是非公平的。

而重入锁允许我们对其公平性进行设置。

它的构造函数如下:

/**
 * 使用给定的公平策略创建一个 ReentrantLock 的实例。
 *
 * @param fair 如果此锁应使用公平排序策略为 true
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

当参数 fair 为 true 时,表示锁是公平的。

公平锁看起来很优美,但是要实现公平锁必然要求系统维护一个有序队列,因此公平锁的实现成本比较高,性能却非常低下,因此,在默认情况下,锁是非公平的。

如果没有特别的需求,则不需要使用公平锁。

公平锁和非公平锁在线程调度表现上也是非常不一样的。

下面的代码可以很好地突出公平锁的特点。

package com.shockang.study.java.concurrent.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLock implements Runnable {
    public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                fairLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得锁");
            } finally {
                fairLock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FairLock r1 = new FairLock();
        Thread t1 = new Thread(r1, "Thread_t1");
        Thread t2 = new Thread(r1, "Thread_t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

控制台输出

获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t2 获得锁
Thread_t1 获得锁
Thread_t1 获得锁

# 省略

说明

由于代码会产生大量输出,这里只截取部分进行说明。

在这个输出中,很明显可以看到,两个线程基本上是交替获得锁的,几乎不会发生同一个线程连续多次获得锁的可能,从而保证了公平性。

如果设置了 false,则会根据系统的调度,一个线程会倾向于再次获取已经持有的锁,这种分配方式是高效的,但是无公平性可言。

源码(JDK8)

/**
 * 一种可重入互斥锁,其基本行为和语义与使用同步方法和语句访问的隐式监视锁(即 synchronized)相同,但具有扩展功能。 
 * 
 * 可重入锁属于上次成功锁定但尚未解锁它的线程。
 * 
 * 当锁不属于另一个线程时,调用锁的线程将返回,并成功获取锁。
 * 
 * 如果当前线程已经拥有锁,则该方法将立即返回。这可以使用 isHeldByCurrentThread 和 getHoldCount 方法进行检查。 
 * 
 * 此类的构造函数接受可选的公平性参数。
 * 
 * 当设置为 true 时,在竞争状态下,锁有利于向等待时间最长的线程授予访问权限。否则,此锁不保证任何特定的访问顺序。
 * 
 * 使用由多线程访问的公平锁的程序可能显示较低的总吞吐量
 * 
 * (即,较慢;通常比使用默认设置的要慢得多,但是在获得锁和保证不饥饿的时间上有较小的差异。
 * 
 * 但是请注意,锁的公平性并不能保证线程调度的公平性。
 * 
 * 因此,使用公平锁的多个线程中的一个线程可以连续多次获得公平锁,而其他活动线程则没有进行并且当前没有持有该锁。
 * 
 * 还要注意,untimed tryLock() 方法不支持公平性设置。
 * 
 * 如果锁可用,即使其他线程正在等待,它也会成功。 
 * 
 * 建议的做法是总是在调用之后立即使用try块锁定,最典型的是在构建之前/之后,例如:
 * 
 * class X {
 *   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 *   // ...
 *
 *   public void m() {
 *     lock.lock();  // block until condition holds
 *     try {
 *       // ... method body
 *     } finally {
 *       lock.unlock()
 *     }
 *   }
 * }}
 * 
 * 除了实现锁接口之外,这个类还定义了许多公共和受保护的方法来检查锁的状态。
 * 
 * 其中一些方法只对 instrumentation 和 monitoring 有用。 
 * 
 * 此类的序列化与内置锁的行为相同:反序列化的锁处于未锁定状态,而与序列化时的状态无关。 
 * 
 * 此锁最多支持同一线程的2147483647个递归锁。尝试超过此限制会导致锁定方法抛出错误。
 * 
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable
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