java高併發系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入鎖

路人甲Java發表於2019-07-17
JavaReentrantLock

java高併發系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入鎖

本篇文章開始將juc中常用的一些類，估計會有十來篇。

synchronized的侷限性

synchronized是java內建的關鍵字，它提供了一種獨佔的加鎖方式。synchronized的獲取和釋放鎖由jvm實現，使用者不需要顯示的釋放鎖，非常方便，然而synchronized也有一定的侷限性，例如：

  1. 當執行緒嘗試獲取鎖的時候，如果獲取不到鎖會一直阻塞，這個阻塞的過程，使用者無法控制
  2. 如果獲取鎖的執行緒進入休眠或者阻塞，除非當前執行緒異常，否則其他執行緒嘗試獲取鎖必須一直等待

JDK1.5之後釋出，加入了Doug Lea實現的java.util.concurrent包。包內提供了Lock類，用來提供更多擴充套件的加鎖功能。Lock彌補了synchronized的侷限，提供了更加細粒度的加鎖功能。

ReentrantLock

ReentrantLock是Lock的預設實現，在聊ReentranLock之前，我們需要先弄清楚一些概念：

  1. 可重入鎖：可重入鎖是指同一個執行緒可以多次獲得同一把鎖；ReentrantLock和關鍵字Synchronized都是可重入鎖
  2. 可中斷鎖：可中斷鎖時只執行緒在獲取鎖的過程中，是否可以相應執行緒中斷操作。synchronized是不可中斷的，ReentrantLock是可中斷的
  3. 公平鎖和非公平鎖：公平鎖是指多個執行緒嘗試獲取同一把鎖的時候，獲取鎖的順序按照執行緒到達的先後順序獲取，而不是隨機插隊的方式獲取。synchronized是非公平鎖，而ReentrantLock是兩種都可以實現，不過預設是非公平鎖

ReentrantLock基本使用

我們使用3個執行緒來對一個共享變數++操作，先使用synchronized實現，然後使用ReentrantLock實現。

synchronized方式：

package com.itsoku.chat06;

/**
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 */
public class Demo2 {

    private static int num = 0;

    private static synchronized void add() {
        num++;
    }

    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo2.add();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(Demo2.num);
    }
}

ReentrantLock方式：

package com.itsoku.chat06;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
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 */
public class Demo3 {

    private static int num = 0;

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void add() {
        lock.lock();
        try {
            num++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo3.add();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(Demo3.num);
    }
}

ReentrantLock的使用過程：

  1. 建立鎖：ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  2. 獲取鎖：lock.lock()
  3. 釋放鎖：lock.unlock();

對比上面的程式碼，與關鍵字synchronized相比，ReentrantLock鎖有明顯的操作過程，開發人員必須手動的指定何時加鎖，何時釋放鎖，正是因為這樣手動控制，ReentrantLock對邏輯控制的靈活度要遠遠勝於關鍵字synchronized，上面程式碼需要注意lock.unlock()一定要放在finally中，否則，若程式出現了異常，鎖沒有釋放，那麼其他執行緒就再也沒有機會獲取這個鎖了。

ReentrantLock是可重入鎖

來驗證一下ReentrantLock是可重入鎖，例項程式碼：

package com.itsoku.chat06;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
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 */
public class Demo4 {
    private static int num = 0;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void add() {
        lock.lock();
        lock.lock();
        try {
            num++;
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo4.add();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(Demo4.num);
    }
}

上面程式碼中add()方法中，當一個執行緒進入的時候，會執行2次獲取鎖的操作，執行程式可以正常結束，並輸出和期望值一樣的30000，假如ReentrantLock是不可重入的鎖，那麼同一個執行緒第2次獲取鎖的時候由於前面的鎖還未釋放而導致死鎖，程式是無法正常結束的。ReentrantLock命名也挺好的Re entrant Lock，和其名字一樣，可重入鎖。

程式碼中還有幾點需要注意：

  1. lock()方法和unlock()方法需要成對出現，鎖了幾次，也要釋放幾次，否則後面的執行緒無法獲取鎖了；可以將add中的unlock刪除一個事實，上面程式碼執行將無法結束
  2. unlock()方法放在finally中執行，保證不管程式是否有異常，鎖必定會釋放

ReentrantLock實現公平鎖

在大多數情況下，鎖的申請都是非公平的，也就是說，執行緒1首先請求鎖A，接著執行緒2也請求了鎖A。那麼當鎖A可用時，是執行緒1可獲得鎖還是執行緒2可獲得鎖呢？這是不一定的，系統只是會從這個鎖的等待佇列中隨機挑選一個，因此不能保證其公平性。這就好比買票不排隊，大家都圍在售票視窗前，售票員忙的焦頭爛額，也顧及不上誰先誰後，隨便找個人出票就完事了，最終導致的結果是，有些人可能一直買不到票。而公平鎖，則不是這樣，它會按照到達的先後順序獲得資源。公平鎖的一大特點是：它不會產生飢餓現象，只要你排隊，最終還是可以等到資源的；synchronized關鍵字預設是有jvm內部實現控制的，是非公平鎖。而ReentrantLock執行開發者自己設定鎖的公平性。

看一下jdk中ReentrantLock的原始碼，2個構造方法：

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

預設構造方法建立的是非公平鎖。

第2個構造方法，有個fair引數，當fair為true的時候建立的是公平鎖，公平鎖看起來很不錯，不過要實現公平鎖，系統內部肯定需要維護一個有序佇列，因此公平鎖的實現成本比較高，效能相對於非公平鎖來說相對低一些。因此，在預設情況下，鎖是非公平的，如果沒有特別要求，則不建議使用公平鎖。

公平鎖和非公平鎖在程式排程上是很不一樣，來一個公平鎖示例看一下：

package com.itsoku.chat06;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
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 */
public class Demo5 {
    private static int num = 0;
    private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                fairLock.lock();
                try {
                    System.out.println(this.getName() + "獲得鎖!");
                } finally {
                    fairLock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");
        T t3 = new T("t3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
    }
}

執行結果輸出：

t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!

看一下輸出的結果，鎖時按照先後順序獲得的。

修改一下上面程式碼，改為非公平鎖試試，如下：

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(false);

執行結果如下：

t1獲得鎖!
t3獲得鎖!
t3獲得鎖!
t3獲得鎖!
t3獲得鎖!
t1獲得鎖!
t1獲得鎖!
t1獲得鎖!
t1獲得鎖!
t2獲得鎖!
t2獲得鎖!
t2獲得鎖!
t2獲得鎖!
t2獲得鎖!
t3獲得鎖!

可以看到t3可能會連續獲得鎖，結果是比較隨機的，不公平的。

ReentrantLock獲取鎖的過程是可中斷的

對於synchronized關鍵字，如果一個執行緒在等待獲取鎖，最終只有2種結果：

  1. 要麼獲取到鎖然後繼續後面的操作
  2. 要麼一直等待，直到其他執行緒釋放鎖為止

而ReentrantLock提供了另外一種可能，就是在等的獲取鎖的過程中（發起獲取鎖請求到還未獲取到鎖這段時間內）是可以被中斷的，也就是說在等待鎖的過程中，程式可以根據需要取消獲取鎖的請求。有些使用這個操作是非常有必要的。比如：你和好朋友越好一起去打球，如果你等了半小時朋友還沒到，突然你接到一個電話，朋友由於突發狀況，不能來了，那麼你一定達到回府。中斷操作正是提供了一套類似的機制，如果一個執行緒正在等待獲取鎖，那麼它依然可以收到一個通知，被告知無需等待，可以停止工作了。

示例程式碼：

package com.itsoku.chat06;

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

/**
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 */
public class Demo6 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(false);

    public static class T extends Thread {
        int lock;

        public T(String name, int lock) {
            super(name);
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (this.lock == 1) {
                    lock1.lockInterruptibly();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    lock2.lockInterruptibly();
                } else {
                    lock2.lockInterruptibly();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    lock1.lockInterruptibly();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("中斷標誌:" + this.isInterrupted());
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
                if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock2.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1", 1);
        T t2 = new T("t2", 2);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

先執行一下上面程式碼，發現程式無法結束，使用jstack檢視執行緒堆疊資訊，發現2個執行緒死鎖了。

Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
  waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c20, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
  which is held by "t1"
"t1":
  waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c50, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
  which is held by "t2"

lock1被執行緒t1佔用，lock2倍執行緒t2佔用，執行緒t1在等待獲取lock2，執行緒t2在等待獲取lock1，都在相互等待獲取對方持有的鎖，最終產生了死鎖，如果是在synchronized關鍵字情況下發生了死鎖現象，程式是無法結束的。

我們隊上面程式碼改造一下，執行緒t2一直無法獲取到lock1，那麼等待5秒之後，我們中斷獲取鎖的操作。主要修改一下main方法，如下：

T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);

t1.start();
t2.start();

TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
t2.interrupt();

新增了2行程式碼TimeUnit.SECONDS.sleep(5);t2.interrupt();，程式可以結束了，執行結果：

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.itsoku.chat06.Demo6$T.run(Demo6.java:31)
中斷標誌:false

從上面資訊中可以看出，程式碼的31行觸發了異常，中斷標誌輸出：false

java高併發系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入鎖

t2在31行一直獲取不到lock1的鎖，主執行緒中等待了5秒之後，t2執行緒呼叫了interrupt()方法，將執行緒的中斷標誌置為true，此時31行會觸發InterruptedException異常，然後執行緒t2可以繼續向下執行，釋放了lock2的鎖，然後執行緒t1可以正常獲取鎖，程式得以繼續進行。執行緒傳送中斷訊號觸發InterruptedException異常之後，中斷標誌將被清空。

關於獲取鎖的過程中被中斷，注意幾點:

  1. ReentrankLock中必須使用例項方法lockInterruptibly()獲取鎖時，線上程呼叫interrupt()方法之後，才會引發InterruptedException異常
  2. 執行緒呼叫interrupt()之後，執行緒的中斷標誌會被置為true
  3. 觸發InterruptedException異常之後，執行緒的中斷標誌有會被清空，即置為false
  4. 所以當執行緒呼叫interrupt()引發InterruptedException異常，中斷標誌的變化是:false->true->false

ReentrantLock鎖申請等待限時

申請鎖等待限時是什麼意思？一般情況下，獲取鎖的時間我們是不知道的，synchronized關鍵字獲取鎖的過程中，只能等待其他執行緒把鎖釋放之後才能夠有機會獲取到所。所以獲取鎖的時間有長有短。如果獲取鎖的時間能夠設定超時時間，那就非常好了。

ReentrantLock剛好提供了這樣功能，給我們提供了獲取鎖限時等待的方法tryLock()，可以選擇傳入時間引數，表示等待指定的時間，無參則表示立即返回鎖申請的結果：true表示獲取鎖成功，false表示獲取鎖失敗。

tryLock無參方法

看一下原始碼中tryLock方法：

public boolean tryLock()

返回boolean型別的值，此方法會立即返回，結果表示獲取鎖是否成功，示例：

package com.itsoku.chat06;

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

/**
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 */
public class Demo8 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "開始獲取鎖!");
                //獲取鎖超時時間設定為3秒，3秒內是否能否獲取鎖都會返回
                if (lock1.tryLock()) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "獲取到了鎖!");
                    //獲取到鎖之後，休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能獲取到鎖!");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

程式碼中獲取鎖成功之後，休眠5秒，會導致另外一個執行緒獲取鎖失敗，執行程式碼，輸出：

1563356291081:t2開始獲取鎖!
1563356291081:t2獲取到了鎖!
1563356291081:t1開始獲取鎖!
1563356291081:t1未能獲取到鎖!

可以看到t2獲取成功，t1獲取失敗了，tryLock()是立即響應的，中間不會有阻塞。

tryLock有參方法

可以明確設定獲取鎖的超時時間，該方法簽名：

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException

該方法在指定的時間內不管是否可以獲取鎖，都會返回結果，返回true，表示獲取鎖成功，返回false表示獲取失敗。此方法由2個引數，第一個引數是時間型別，是一個列舉，可以表示時、分、秒、毫秒等待，使用比較方便，第1個參數列示在時間型別上的時間長短。此方法在執行的過程中，如果呼叫了執行緒的中斷interrupt()方法，會觸發InterruptedException異常。

示例：

package com.itsoku.chat06;

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

/**
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 */
public class Demo7 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "開始獲取鎖!");
                //獲取鎖超時時間設定為3秒，3秒內是否能否獲取鎖都會返回
                if (lock1.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "獲取到了鎖!");
                    //獲取到鎖之後，休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能獲取到鎖!");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

程式中呼叫了ReentrantLock的例項方法tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)，表示獲取鎖的超時時間是3秒，3秒後不管是否能否獲取鎖，該方法都會有返回值，獲取到鎖之後，內部休眠了5秒，會導致另外一個執行緒獲取鎖失敗。

執行程式，輸出：

1563355512901:t2開始獲取鎖!
1563355512901:t1開始獲取鎖!
1563355512902:t2獲取到了鎖!
1563355515904:t1未能獲取到鎖!

輸出結果中分析，t2獲取到鎖了，然後休眠了5秒，t1獲取鎖失敗，t1列印了2條資訊，時間相差3秒左右。

關於tryLock()方法和tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，說明一下：

  1. 都會返回boolean值，結果表示獲取鎖是否成功
  2. tryLock()方法，不管是否獲取成功，都會立即返回；而有參的tryLock方法會嘗試在指定的時間內去獲取鎖，中間會阻塞的現象，在指定的時間之後會不管是否能夠獲取鎖都會返回結果
  3. tryLock()方法不會響應執行緒的中斷方法；而有參的tryLock方法會響應執行緒的中斷方法，而出發InterruptedException異常，這個從2個方法的宣告上可以可以看出來

ReentrantLock其他常用的方法

  1. isHeldByCurrentThread：例項方法，判斷當前執行緒是否持有ReentrantLock的鎖，上面程式碼中有使用過。

獲取鎖的4中方法對比

獲取鎖的方法 是否立即響應(不會阻塞) 是否響應中斷
lock() × ×
lockInterruptibly() × √
tryLock() √ ×
tryLock(long timeout, TimeUnit unit) × √

總結

  1. ReentrantLock可以實現公平鎖和非公平鎖
  2. ReentrantLock預設實現的是非公平鎖
  3. ReentrantLock的獲取鎖和釋放鎖必須成對出現，鎖了幾次，也要釋放幾次
  4. 釋放鎖的操作必須放在finally中執行
  5. lockInterruptibly()例項方法可以相應執行緒的中斷方法，呼叫執行緒的interrupt()方法時，lockInterruptibly()方法會觸發InterruptedException異常
  6. 關於InterruptedException異常說一下，看到方法宣告上帶有 throws InterruptedException，表示該方法可以相應執行緒中斷，呼叫執行緒的interrupt()方法時，這些方法會觸發InterruptedException異常，觸發InterruptedException時，執行緒的中斷中斷狀態會被清除。所以如果程式由於呼叫interrupt()方法而觸發InterruptedException異常，執行緒的標誌由預設的false變為ture，然後又變為false
  7. 例項方法tryLock()獲會嘗試獲取鎖，會立即返回，返回值表示是否獲取成功
  8. 例項方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit)會在指定的時間內嘗試獲取鎖，指定的時間內是否能夠獲取鎖，都會返回，返回值表示是否獲取鎖成功，該方法會響應執行緒的中斷

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java高併發系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入鎖

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