併發程式設計系列之Lock鎖可重入性與公平性

字母哥部落格發表於2022-05-13
程式設計

一、相似之處：Lock鎖 vs Synchronized 程式碼塊

Lock鎖是一種類似於synchronized 同步程式碼塊的執行緒同步機制。從Java 5開始java.util.concurrent.locks引入了若干個Lock鎖的實現類，所以通常情況下我們不需要實現自己的鎖，重要的是需要知道如何使用它們，瞭解它們實現背後的原理。

Lock鎖API的基本使用方法和Synchronized 關鍵字大同小異，程式碼如下

Lock lock = new ReentrantLock();  //例項化鎖
//lock.lock(); //上鎖
boolean locked = lock.tryLock();  //嘗試上鎖
if(locked){
  try {
    //被鎖定的同步程式碼塊，同時只能被一個執行緒執行
  }finally {
    lock.unlock(); //放在finally程式碼塊中，保證鎖一定會被釋放
  }
}

synchronized(obj){
    //被鎖定的同步程式碼塊，同時只能被一個執行緒執行
}

Lock鎖使用看上去麻煩一點，但是java預設提供了很多Lock鎖，能滿足更多的應用場景。比如：基於訊號量加鎖、讀寫鎖等等，關注我的專欄《java併發程式設計》，後續都會介紹。

二、Lock介面中的方法

Lock介面實現方法通常會維護一個計數器，當計數器=0的時候資源被釋放，當計數器大於1的時候資源被鎖定。

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}
  • lock() - 呼叫該方法會使鎖定計數器增加1，如果此時共享資源是空閒的，則將鎖交給呼叫該方法的執行緒。
  • unlock() - 呼叫該方法使鎖定計數器減少1，當鎖定計數器為0時，資源被釋放。
  • tryLock() - 如果該資源是空閒的，那麼呼叫該方法將返回true，鎖定計數器將增加1。如果資源處於被佔用狀態，那麼該方法返回false，但是執行緒將不被阻塞。
  • tryLock(long timeout, TimeUnit unit) - 按照該方法嘗試獲得鎖，如果資源此時被佔用，執行緒在退出前等待一定的時間段，該時間段由該方法的引數定義，以期望在此時間內獲得資源鎖。
  • lockInterruptibly() - 如果資源是空閒的，該方法會獲取鎖，同時允許執行緒在獲取資源時被其他執行緒打斷。這意味著，如果當前執行緒正在等待一個鎖，但其他執行緒要求獲得該鎖，那麼當前執行緒將被中斷，並立即返回不會獲得鎖。

三、不同點：Lock鎖 vs Synchronized 程式碼塊

使用synchronized同步塊和使用Lock API 之間還是有一些區別的

  • 一個synchronized同步塊必須完全包含在一個方法中 - 但Lock API的lock()和unlock()操作，可以在不同的方法中進行
  • synchronized同步塊不支援公平性原則，任何執行緒都可以在釋放後重新獲得鎖，不能指定優先順序。但我們可以通過指定fairness 屬性在Lock API中實現公平的優先順序，可以實現等待時間最長的執行緒被賦予對鎖的佔有權。
  • 如果一個執行緒無法訪問synchronized同步塊，它就會被阻塞等待。Lock API提供了tryLock()方法，嘗試獲取鎖物件，獲取到鎖返回true，否則返回false。返回false並不阻塞執行緒，所以使用該方法可以減少等待鎖的執行緒的阻塞時間。

四、鎖的可重入性

”可重入“意味著某個執行緒可以安全地多次獲得同一個鎖物件，而不會造成死鎖。

4.1. synchronized鎖的可重入性

下面的程式碼synchronized程式碼塊巢狀synchronized程式碼塊，鎖定同一個this物件，不會產生死鎖。證明synchronized程式碼塊針對同一個物件加鎖，是可重入的。

public void testLock(){
    synchronized (this) {
      System.out.println("第1次獲取鎖，鎖物件是：" + this);
      int index = 1;
      do {
        synchronized (this) {
          System.out.println("第" + (++index) + "次獲取鎖，鎖物件是：" + this);
        }
      } while (index != 10);
    }
}

上面的這段程式碼輸出結果是

第1次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第2次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第3次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第4次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第5次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第6次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第7次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第8次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第9次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116
第10次獲取鎖，鎖物件是：com.example.demo.thread.TestLockReentrant@769c9116

4.2.ReentrantLock可重入鎖

Lock介面的實現類ReentrantLock，也是可重入鎖。一般來說類名包含Reentrant的Lock介面實現類實現的鎖都是可重入的。

public void testLock1(){
  Lock lock = new ReentrantLock();  //例項化鎖
  lock.lock();  //上鎖
  System.out.println("第1次獲取鎖，鎖物件是：" + lock);
  try {
    int index = 1;
    do {
      lock.lock();  //上鎖
      try {
        System.out.println("第" + (++index) + "次獲取鎖，鎖物件是：" + lock);
      }finally {
        lock.unlock();
      }
    } while (index != 10);

  }finally {
    lock.unlock(); //放在finally程式碼塊中，保證鎖一定會被釋放
  }
}

當執行緒第一次獲得鎖的時候，計數器被設定為1。在解鎖之前，該執行緒可以再次獲得鎖，每次計數器都會增加1。對於每一個解鎖操作，計數器被遞減1，當計數器為0時鎖定資源被釋放。所以最重要的是：lock(tryLock)要與unlock方法成對出現，即：在程式碼中加鎖一次就必須解鎖一次，否則就死鎖

五、Lock鎖的公平性

Java的synchronized 同步塊對試圖進入它們的執行緒，被授予訪問權（佔有權）的優先順序順序沒有任何保證。因此如果許多執行緒不斷爭奪對同一個synchronized 同步塊的訪問權，就有可能有一個或多個執行緒從未被授予訪問權。這就造成了所謂的 "執行緒飢餓"。為了避免這種情況，鎖應該是公平的。

Lock lock = new ReentrantLock(true);

可重入鎖提供了一個公平性引數fairness ，通過該引數Lock鎖將遵守鎖請求的順序，即在一個執行緒解鎖資源後，鎖將被交給等待時間最長的執行緒。這種公平模式是通過在鎖的建構函式中傳遞 "true "來設定的。

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