Java併發程式設計之鎖機制之Lock介面

AndyandJennifer發表於2018-10-11
Java程式設計

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前言

在上篇文章《Java併發程式設計之鎖機制之引導篇》及相關實現類,我們大致瞭解了Lock介面（以及相關實現類）在併發程式設計重要作用。接下來我們就來具體瞭解Lock介面中宣告的方法以及使用優勢。

Lock簡介

Lock 介面實現類提供了比使用 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 (Condition實現類ConditonObject來實現執行緒的通知/與喚醒機制，關於Condition後期會進行介紹)物件。

鎖是用於控制多執行緒訪問共享資源的工具。通常，鎖提供對共享資源的獨佔訪問：一次只有一個執行緒可以獲取鎖，對共享資源的所有訪問都需要首先獲取鎖。但是，一些鎖可以允許同時訪問共享資源，例如ReadWriteLock。

雖然使用關鍵字synchronized修飾的方法或程式碼塊，會使得在監視器模式（ObjectMonitor)下程式設計變得非常容易(通過synchronized塊或者方法所提供的隱式獲取釋放鎖的便捷性)。雖然這種方式簡化了鎖的管理，但是某些情況下，還是建議採用Lock介面（及其相關子類）提供的顯示的鎖的獲取和釋放。例如，針對一個場景，手把手進行鎖獲取和釋放，先獲得鎖A，然後再獲取鎖B，當鎖B獲得後，釋放鎖A同時獲取鎖C，當鎖C獲得後，再釋放B同時獲取鎖D，以此類推。這種場景下， synchronized關鍵字就不那麼容易實現了，而Lock介面的實現類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。

Lock介面中的方法

關於Lock介面中涉及到的方法具體如下：（建議直接在PC端檢視，手機上有可能看的不是很清楚）

lock_method.png
從上表中，我們就可以得出使用Lock介面實現的鎖機制與使用傳統的synchronized的區別

  1. 嘗試非阻塞地獲取鎖：當執行緒嘗試獲取鎖，如果這一時刻鎖沒有被其他執行緒獲取到，則成功獲取並持有鎖。
  2. 能被中斷的獲取鎖：與synchronized不同，獲取到鎖的執行緒能夠響應中斷，當獲取到鎖的執行緒被中斷時，中斷異常會被丟擲，同時鎖也會被釋放。
  3. 超時獲取鎖：在指定的截止時間之前獲取鎖，如果截止時間到了任然無法獲取到鎖，則返回。

Lock簡單使用與注意事項

其中Lock的使用方式也很簡單，具體程式碼如下所示：

Lock lock = ....;具體實現類
lock.lock();
try {
} finally {
lock.unlock();//建議在finally中釋放鎖
}
複製程式碼

當鎖定和解鎖發生在不同的範圍時，一定要注意確保在持有鎖時執行的所有程式碼都受到try-finally或try-catch的保護，以確保在必要時釋放鎖。不要將獲取鎖的過程寫在try塊中，因為如果在獲取鎖（自定義鎖的實現）時發生了異常，異常丟擲的同時，也會導致鎖無故釋放（因為一旦發生異常，就會走finally語句，如果這個異常（可能是使用者自定義異常，使用者可以自己處理）需要執行緒1來處理，但是接著執行了lock.unlock()語句導致了鎖的釋放。那麼其他執行緒就可以操作共享資源。有可能破壞程式的執行結果）。

Lock相關實現類實現鎖機制

為了使用Lock介面實現相關鎖功能時，會涉及以下類和介面，這裡還是把上篇文章提到的UML圖展示出來：

lock.png

上圖中，

  1. 綠色部分為：其中ReentrantLock（重入鎖）、WriteLock、ReadLock都是Lock的實現類。Segment為ReentrantLock的子類（在後續文章，ConcurrentHashMap的講解中我們會提及）。 ReentrantReadWriteLock （讀寫鎖）的實現使用了WriteLock與ReadLock類。
  2. 紫色部分為：其中AbstractQueuedSynchronizer與AbstractQueuedLongSynchronizer都為AbstractOwnableSynchronizer的子類，該兩個類中都維護了一個同步佇列，用於執行緒的併發執行。在該兩個類中擁有名為ConditionObject(為Conditon的實現類)的內部類，只是其內部實現不同。在ConditionObject內部維護了一個等待佇列，用於控制執行緒的等待與喚醒。

基本程式碼結構

在瞭解了Lock相關實現類實現鎖機制後，這裡給實現該鎖機制的大致程式碼結構（根據不同需求，部分方法實現可能不一樣，這裡只是一個參考，並不是樣本程式碼）。具體程式碼如下所示：

class LockImpl implements Lock {

    private final sync mSync = new sync();
    @Override
    public void lock() {
        mSync.acquire(1);
    }
    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        mSync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return mSync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return mSync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        mSync.release(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return mSync.newCondition();
    }
    
	 //這裡也可以繼承AbstractQueuedLongSynchronizer
    private static class sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {...}
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {...}
        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {...}
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int arg) {...}
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {...}
        final ConditionObject newCondition() {...}
    }
}
複製程式碼

從程式碼中我們可以看出，在整個Lock介面下實現的鎖機制中，AQS(這裡我們將AbstractQueuedSynchronizer 或AbstractQueuedLongSynchronizer統稱為AQS)是實現鎖的關鍵，整個鎖的實現是在Lock類的實現類中聚合AQS來實現的，從程式碼層面上來說，Lock介面（及其實現類）是面向使用者的，它定義了使用者與鎖互動的介面（比如可以允許兩個執行緒並行訪問），隱藏了實現細節。AQS與Condition才是真正的實現者，它簡化了鎖的實現方式，遮蔽了同步狀態管理、執行緒的排隊、等待與喚醒等底層操作。

總結

  1. Lock介面（及其實現類）相比synchronized有如下優點：
  • 鎖的釋放與獲取不在是隱式的，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。
  • 能被中斷的獲取鎖，獲取到鎖的執行緒能夠響應中斷，當獲取到鎖的執行緒被中斷時，中斷異常會被丟擲，同時鎖也會被釋放
  • 超時獲取鎖：在指定的截止時間之前獲取鎖，如果截止時間到了任然無法獲取到鎖，則返回。
  1. 在使用Lock的時候注意，一定要確保必要時釋放鎖
  2. 在整個Lock介面下實現的鎖機制中,AQS(上文進行了統稱)與Condition才是真正的實現者。

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