Java高階-執行緒同步lock與unlock使用

一、Lock與Synchronized區別

Java中可以使用Lock和Synchronized的可以實現對某個共享資源的同步，同時也可以實現對某些過程的原子性操作。

Lock可以使用Condition進行執行緒之間的排程，Synchronized則使用Object物件本身的notify, wait, notityAll排程機制，這兩種排程機制有什麼異同呢？

Condition是Java5以後出現的機制，它有更好的靈活性，而且在一個物件裡面可以有多個Condition（即物件監視器),則執行緒可以註冊在不同的Condition，從而可以有選擇性的排程執行緒，更加靈活。

Synchronized就相當於整個物件只有一個單一的Condition（即該物件本身）所有的執行緒都註冊在它身上，執行緒排程的時候之後排程所有得註冊執行緒，沒有選擇權，會出現相當大的問題 。

所以，Lock 實現提供了比使用 synchronized 方法和語句可獲得的更廣泛的鎖定操作。此實現允許更靈活的結構，可以具有差別很大的屬性，可以支援多個相關的 Condition 物件。

鎖是控制多個執行緒對共享資源進行訪問的工具。通常，鎖提供了對共享資源的獨佔訪問。一次只能有一個執行緒獲得鎖，對共享資源的所有訪問都需要首先獲得鎖。不過，某些鎖可能允許對共享資源併發訪問，如 ReadWriteLock 的讀取鎖。

synchronized 方法或語句的使用提供了對與每個物件相關的隱式監視器鎖的訪問，但卻強制所有鎖獲取和釋放均要出現在一個塊結構中：當獲取了多個鎖時，它們必須以相反的順序釋放，且必須在與所有鎖被獲取時相同的詞法範圍內釋放所有鎖。

雖然 synchronized 方法和語句的範圍機制使得使用監視器鎖程式設計方便了很多，而且還幫助避免了很多涉及到鎖的常見程式設計錯誤，但有時也需要以更為靈活的方式使用鎖。例如，某些遍歷併發訪問的資料結果的演算法要求使用 "hand-over-hand" 或 "chain locking"：獲取節點 A 的鎖，然後再獲取節點 B 的鎖，然後釋放 A 並獲取 C，然後釋放 B 並獲取 D，依此類推。Lock 介面的實現允許鎖在不同的作用範圍內獲取和釋放，並允許以任何順序獲取和釋放多個鎖，從而支援使用這種技術。

二、java.util.concurrent.locks類結構

上圖中，LOCK的實現類其實都是構建在AbstractQueuedSynchronizer上，為何圖中沒有用UML線表示呢，這是每個Lock實現類都持有自己內部類Sync的例項，而這個Sync就是繼承AbstractQueuedSynchronizer(AQS)。為何要實現不同的Sync呢？這和每種Lock用途相關。另外還有AQS的State機制。

基於AQS構建的Synchronizer包括ReentrantLock,Semaphore,CountDownLatch, ReetrantReadWriteLock,FutureTask等，這些Synchronizer實際上最基本的東西就是原子狀態的獲取和釋放，只是條件不一樣而已。

ReentrantLock：需要記錄當前執行緒獲取原子狀態的次數，如果次數為零，那麼就說明這個執行緒放棄了鎖（也有可能其他執行緒佔據著鎖從而需要等待），如果次數大於1，也就是獲得了重進入的效果，而其他執行緒只能被park住，直到這個執行緒重進入鎖次數變成0而釋放原子狀態。以下為ReetranLock的FairSync的tryAcquire實現程式碼解析：

Semaphore：則是要記錄當前還有多少次許可可以使用，到0，就需要等待，也就實現併發量的控制，Semaphore一開始設定許可數為1，實際上就是一把互斥鎖。以下為Semaphore的FairSync實現：

CountDownLatch：閉鎖則要保持其狀態，在這個狀態到達終止態之前，所有執行緒都會被park住，閉鎖可以設定初始值，這個值的含義就是這個閉鎖需要被countDown()幾次，因為每次CountDown是sync.releaseShared(1),而一開始初始值為10的話，那麼這個閉鎖需要被countDown()十次，才能夠將這個初始值減到0，從而釋放原子狀態，讓等待的所有執行緒通過。

FutureTask：需要記錄任務的執行狀態，當呼叫其例項的get方法時,內部類Sync會去呼叫AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，而這個方法會反向呼叫Sync實現的tryAcquireShared()方法，即讓具體實現類決定是否讓當前執行緒繼續還是park,而FutureTask的tryAcquireShared方法所做的唯一事情就是檢查狀態，如果是RUNNING狀態那麼讓當前執行緒park。而跑任務的執行緒會在任務結束時呼叫FutureTask 例項的set方法（與等待執行緒持相同的例項），設定執行結果，並且通過unpark喚醒正在等待的執行緒，返回結果。

以上4個AQS的使用是比較典型，然而有個問題就是這些狀態存在哪裡呢？並且是可以計數的。從以上4個example,我們可以很快得到答案，AQS提供給了子類一個int state屬性。並且暴露給子類getState()和setState()兩個方法(protected)。這樣就為上述狀態解決了儲存問題，RetrantLock可以將這個state用於儲存當前執行緒的重進入次數，Semaphore可以用這個state儲存許可數，CountDownLatch則可以儲存需要被countDown的次數，而Future則可以儲存當前任務的執行狀態(RUNING,RAN,CANCELL)。其他的Synchronizer儲存他們的一些狀態。

AQS留給實現者的方法主要有5個方法，其中tryAcquire,tryRelease和isHeldExclusively三個方法為需要獨佔形式獲取的synchronizer實現的，比如執行緒獨佔ReetranLock的Sync，而tryAcquireShared和tryReleasedShared為需要共享形式獲取的synchronizer實現。 
ReentrantLock內部Sync類實現的是tryAcquire,tryRelease, isHeldExclusively三個方法(因為獲取鎖的公平性問題，tryAcquire由繼承該Sync類的內部類FairSync和NonfairSync實現)Semaphore內部類Sync則實現了tryAcquireShared和tryReleasedShared(與CountDownLatch相似，因為公平性問題，tryAcquireShared由其內部類FairSync和NonfairSync實現)。CountDownLatch內部類Sync實現了tryAcquireShared和tryReleasedShared。FutureTask內部類Sync也實現了tryAcquireShared和tryReleasedShared。

其實使用過一些JAVA synchronizer的之後，然後結合程式碼，能夠很快理解其到底是如何做到各自的特性的，在把握了基本特性,即獲取原子狀態和釋放原子狀態，其實我們自己也可以構造synchronizer。如下是一個LOCK API的一個例子，實現了一個先入先出的互斥鎖。

三、lock與unlock使用

下面是一個場景，針對這個場景提出兩種解決方案。 一箇中轉站，可以接納貨物，然後發出貨物，這是需要建一個倉庫，相當於一個緩衝區，當倉庫滿的時候，不能接貨，倉庫空的時候，不能發貨。

第一種，用一個Condition去解決，有可能會出問題。

package com.zxx;

import java.util.Random; 
import java.util.concurrent.ExecutorService; 
import java.util.concurrent.Executors; 
import java.util.concurrent.locks.Condition; 
import java.util.concurrent.locks.Lock; 
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/** 
* 單個Condition去控制一個緩衝區，多執行緒對緩衝區做讀寫操作，要保證緩衝區滿的時侯不會 
* 被寫，空的時候不會被讀；單個Condition控制會出錯誤： 當緩衝區還有一個位置時，多個寫執行緒 
* 同時訪問，則只有一個寫執行緒可以對其進行寫操作，操作完之後，喚醒在這個condition上等待的 
* 其他幾個寫執行緒，如果判斷用IF語句的話就會出現繼續向緩衝區新增。 
* @author Administrator 
* 
*/ 
public class ConditionError { 
    Lock lock = new ReentrantLock(); 
    Condition condition = lock.newCondition(); 
    String[] container = new String[10]; 
    int index = 0; 
    public static void main(String[] args) { 
        ConditionError conditionError = new ConditionError(); 
        conditionError.test(); 
    } 
    public void test(){ 
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool(); 
        for(int i = 0; i < 14; i++){//先用14個執行緒去寫，則有4個執行緒會被阻塞 
            threadPool.execute(new Runnable(){

                @Override 
                public void run() { 
                    put(); 
                } 
            }); 
        } 
        Executors.newSingleThreadExecutor().execute(new Runnable(){//用一個執行緒去取，則會通知4個阻塞的寫執行緒工作，此時 
                                                                //會有一個執行緒向緩衝區寫，寫完後去通知在這個condition上等待 
                                                                //的取執行緒，這是它的本意，但是它喚醒了寫執行緒，因為只有一個condition 
                                                                //不能有選擇的喚醒寫取執行緒，此時就需要有多個Condition 
            @Override 
            public void run() { 
                try { 
                    Thread.sleep(10000); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
                get(); 
            } 
        }); 
    } 
    /** 
     * 向緩衝去寫資料 
     */ 
    public void put(){ 
        lock.lock(); 
        try{ 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "當前位置:" + index + "-----------------------------"); 
            while(index == 10){ 
                try { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "處於阻塞狀態！"); 
                    condition.await(); 
//                    index = 0; 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
            } 
            container[index] = new String(new Random().nextInt() + ""); 
            condition.signalAll(); 
            index ++; 
        } finally { 
            lock.unlock(); 
        } 
    } 
    /** 
     * 從緩衝區拿資料 
     */ 
    public void get(){ 
        lock.lock(); 
        try{ 
            while(index == 0){ 
                try { 
                    System.out.println("get--------" + Thread.currentThread().getName() + "處於阻塞"); 
                    condition.await(); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
            } 
            index --; 
            System.out.println("get---------" + Thread.currentThread().getName() + "喚醒阻塞"); 
            condition.signalAll(); 
        } finally { 
            lock.unlock(); 
        } 
    } 
}

第二種解決方案，用java api中的 一個例子 。