一文秒懂 Java java.util.concurrent.Locks

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对于 Java 来讲,锁 ( Lock ) 是一种比标准同步块 ( synchronized block ) 更灵活,更复杂的线程同步机制。

其实,Java 1.5 就已经存在 Lock 接口了。这个 Lock 接口在 java.util.concurrent.lock 包中定义,提供了大量的锁操作。

本文中,我们将讲解 Lock 接口的不同实现并介绍如何在应用程序中使用锁。

锁 ( lock ) 和同步块 ( synchronized block ) 之间的差异

使用 synchronized 块和使用 Lock API 之间几乎没有区别:

  • 同步块完全包含在方法中 : 在独立的方法中,我们可以使用 Lock 提供的 lock()unlock() 实现锁和解锁操作。
  • 同步块不支持公平竞争,任何线程都可以获取释放的锁定,且不能指定优先级。但锁 ( Lock ) 就不一样了,可以通过指定公平属性来实现 Lock 中的公平性。这可以确保最长的等待线程被授予锁定权限。
  • 如果线程无法访问同步块,则会阻塞该线程。Lock 则提供了 tryLock() 方法。线程只有在可用且不被任何其他线程保持时才获取锁定。这减少了线程等待锁定的阻塞时间。
  • 处于 「 等待 」 状态以获取对同步块的访问的线程不能被中断。Lock 提供了一个 lockInterruptibly() 方法,可用于在等待锁定时中断线程。

从上面的对比来看,同步块的所有机制,锁 ( Lock ) 都有相应的 API 对应。

Lock API

我们来看看 Lock 接口提供了哪些方法:

方法 说明
voidlock() 尝试获取锁(如果可用),如果锁不可用,则线程会被阻塞,直到锁被释放
oidlockInterruptibly() 类似于lock(),但它允许被阻塞的线程被中断并通过抛出的java.lang.InterruptedException恢复执行
booleantryLock() lock()方法的非阻塞版本,它会立即尝试获取锁定,如果锁定成功则返回true
booleantryLock(longtimeout,TimeUnittimeUnit) 类似于tryLock(),但它可以指定超时,达到超时之后就会自动放弃获取锁
voidunlock() 解锁Lock实例

锁定的实例应该始终被解锁以避免死锁情况。

锁的推荐使用方式是将锁相关的代码块放在 try/catchfinally 块中。

    Lock lock = ...; 
    lock.lock();
    try {
        // access to the shared resource
    } finally {
        lock.unlock();
    }

除了 Lock 接口之外,java.util.concurrent.lock 包还提供了一个 ReadWriteLock 接口,俗称 「读写锁」,它维护一对锁,一个用于只读操作,一个用于写操作。

对于读写锁,只要没有写入,读锁定可以由多个线程同时保持。

ReadWriteLock 声明了两个方法用于获取读取或写入锁

方法 说明
LockreadLock() 返回一个用于读取的锁
LockwriteLock() 返回一个用于写的锁

锁的实现

ReentrantLock 锁

ReentrantLock 类实现了 Lock 接口。它提供了相同的并发和内存语义,如使用 synchronized 方法和语句访问的隐式监视器锁,而且可以被子类化。

我们写一个范例演示下如何使用 ReenrtantLock 来实现同步

    public class SharedObject {
        //...
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        int counter = 0;

        public void perform() {
            lock.lock();
            try {
                // Critical section here
                count++;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        //...
    }

正如上面的示例所示,我们需要确保在 try-finally 块中包装 lock()unlock() 调用以避免死锁情况。

现在,让我们来看看 tryLock() 的工作原理

    public void performTryLock(){
        //...
        boolean isLockAcquired = lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);

        if(isLockAcquired) {
            try {
                //Critical section here
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        //...
    }

上面这个范例中,调用 tryLock() 的线程将等待一秒钟,如果锁定不可用则放弃等待。

ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock 类实现了 ReadWriteLock 接口。

我们来看一下线程获取 ReadLock 或 WriteLock 的规则:

  • 读锁 : 如果没有线程获得写锁定或请求它,则多个线程可以获取读锁定。
  • 写锁 : 如果没有线程正在读或写,则只有一个线程可以获取写锁。

我们写一个范例演示下如何使用 ReadWriteLock

    public class SynchronizedHashMapWithReadWriteLock {

        Map<String,String>  syncHashMap = new HashMap<>();
        ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        //...
        Lock writeLock = lock.writeLock();

        public void put(String key, String value) {
            try {
                writeLock.lock();
                syncHashMap.put(key, value);
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }
        ...
        public String remove(String key){
            try {
                writeLock.lock();
                return syncHashMap.remove(key);
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }
        //...
    }

对于这两种 "写" 操作,我们需要使用写锁定来包围临界区,只有一个线程可以访问它

    Lock readLock = lock.readLock();
    //...
    public String get(String key){
        try {
            readLock.lock();
            return syncHashMap.get(key);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public boolean containsKey(String key) {
        try {
            readLock.lock();
            return syncHashMap.containsKey(key);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

对于这两种 "读" 操作,我们需要使用读锁定来包围临界区。如果没有正在进行的写操作,多个线程可以访问此部分。

StampedLock

StampedLock 是 Java 8 中引入的。它支持读写锁定。不同的是,锁的获取方法返回的戳记 ( stamp ) 可以用于释放锁定或检查锁定是否仍然有效。

    public class StampedLockDemo {
        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        private StampedLock lock = new StampedLock();

        public void put(String key, String value){
            long stamp = lock.writeLock();
            try {
                map.put(key, value);
            } finally {
                lock.unlockWrite(stamp);
            }
        }

        public String get(String key) throws InterruptedException {
            long stamp = lock.readLock();
            try {
                return map.get(key);
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
    }

StampedLock 提供的另一个功能是 「 乐观锁 」 。大多数时候,读操作不需要等待写操作完成,因此不需要完全成熟的读锁。相反,我们可以升级到读锁。

    public String readWithOptimisticLock(String key) {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        String value = map.get(key);

        if(!lock.validate(stamp)) {
            stamp = lock.readLock();
            try {
                return map.get(key);
            } finally {
                lock.unlock(stamp);               
            }
        }
        return value;
    }

使用条件

Condition 类让线程能够在执行临界区时等待某些条件发生。当线程获得对临界区的访问但没有执行其操作的必要条件时,可能会发生这种情况。

例如,读线程可以访问共享队列的锁,该队列仍然没有任何数据可供使用。

传统上,Java 为线程互通提供了 wait()notify()notifyAll() 方法。

Condition 类有类似的机制,而且,还允许我们指定多个条件。

    public class ReentrantLockWithCondition {

        Stack<String> stack = new Stack<>();
        int CAPACITY = 5;

        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition stackEmptyCondition = lock.newCondition();
        Condition stackFullCondition = lock.newCondition();

        public void pushToStack(String item){
            try {
                lock.lock();
                while(stack.size() == CAPACITY){
                    stackFullCondition.await();
                }
                stack.push(item);
                stackEmptyCondition.signalAll();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public String popFromStack() {
            try {
                lock.lock();
                while(stack.size() == 0){
                    stackEmptyCondition.await();
                }
                return stack.pop();
            } finally {
                stackFullCondition.signalAll();
                lock.unlock();
            }
        }
    }

来源:https://www.twle.cn

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