1. 简介
我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题,从Java 5之后,在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问,那就是Lock。
也许有朋友会问,既然都可以通过synchronized来实现同步访问了,那么为什么还需要提供Lock?
从synchronized的缺陷讲起,然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口,最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西
2. synchronized的缺陷
synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢?
在上面一篇文章中,我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:
1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;
2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁;
那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。
再举个例子:当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:
如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。
另外,通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
总结一下,也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:
1)Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;
2)Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。
3. java.util.concurrent.locks包下常用的类
下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。
(1)Lock
首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:
1 public interface Lock {2 void lock();3 void lockInterruptibly() throws InterruptedException;4 boolean tryLock();5 boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;6 void unlock();7 Condition newCondition();8 }
下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用,lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和 lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述,会在后面的线程协作一文中讲述。
在Lock中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?
- lock()
首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。
由于在前面讲到如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:
1 Lock lock = ...;2 lock.lock();3 try{4 //处理任务5 }catch(Exception ex){6 7 }finally{8 lock.unlock(); //释放锁9 }
- tryLock()
tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
- tryLock(long time, TimeUnit unit)
tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。
所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:
1 Lock lock = ...; 2 if(lock.tryLock()) { 3 try{ 4 //处理任务 5 }catch(Exception ex){ 6 7 }finally{ 8 lock.unlock(); //释放锁 9 } 10 }else {11 //如果不能获取锁,则直接做其他事情12 }
- lockInterruptibly()
lockInterruptibly()方法比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。也就使说,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有在等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常,所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。
因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下:
1 public void method() throws InterruptedException {2 lock.lockInterruptibly();3 try { 4 //.....5 }6 finally {7 lock.unlock();8 } 9 }
注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程,只能中断阻塞过程中的线程。
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,只有进行等待的情况下,是可以响应中断的。
而用synchronized修饰的话,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去。
(2)ReentrantLock
ReentrantLock,意思是"可重入锁"。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。
例1:
1 public class Test { 2 private ArrayListarrayList = new ArrayList (); 3 public static void main(String[] args) { 4 final Test test = new Test(); 5 6 new Thread(){ 7 public void run() { 8 test.insert(Thread.currentThread()); 9 };10 }.start();11 12 new Thread(){13 public void run() {14 test.insert(Thread.currentThread());15 };16 }.start();17 } 18 19 public void insert(Thread thread) {20 Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方21 lock.lock();22 try {23 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");24 for(int i=0;i<5;i++) {25 arrayList.add(i);26 }27 } catch (Exception e) {28 // TODO: handle exception29 }finally {30 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");31 lock.unlock();32 }33 }34 }
各位朋友先想一下这段代码的输出结果是什么?
Thread-0得到了锁Thread-1得到了锁Thread-0释放了锁Thread-1释放了锁
也许有朋友会问,怎么会输出这个结果?第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会发生冲突。
知道了原因改起来就比较容易了,只需要将lock声明为类的属性即可。
1 public class Test { 2 private ArrayListarrayList = new ArrayList (); 3 private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方 4 public static void main(String[] args) { 5 final Test test = new Test(); 6 7 new Thread(){ 8 public void run() { 9 test.insert(Thread.currentThread());10 };11 }.start();12 13 new Thread(){14 public void run() {15 test.insert(Thread.currentThread());16 };17 }.start();18 } 19 20 public void insert(Thread thread) {21 lock.lock();22 try {23 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");24 for(int i=0;i<5;i++) {25 arrayList.add(i);26 }27 } catch (Exception e) {28 // TODO: handle exception29 }finally {30 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");31 lock.unlock();32 }33 }34 }
这样就是正确地使用Lock的方法了。
例子2,tryLock()的使用方法:
1 public class Test { 2 private ArrayListarrayList = new ArrayList (); 3 private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方 4 public static void main(String[] args) { 5 final Test test = new Test(); 6 7 new Thread(){ 8 public void run() { 9 test.insert(Thread.currentThread());10 };11 }.start();12 13 new Thread(){14 public void run() {15 test.insert(Thread.currentThread());16 };17 }.start();18 } 19 20 public void insert(Thread thread) {21 if(lock.tryLock()) {22 try {23 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");24 for(int i=0;i<5;i++) {25 arrayList.add(i);26 }27 } catch (Exception e) {28 // TODO: handle exception29 }finally {30 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");31 lock.unlock();32 }33 } else {34 System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");35 }36 }37 }
输出结果:
1 Thread-0得到了锁2 Thread-1获取锁失败3 Thread-0释放了锁
例子3,lockInterruptibly()响应中断的使用方法:
1 public class Test { 2 private Lock lock = new ReentrantLock(); 3 public static void main(String[] args) { 4 Test test = new Test(); 5 MyThread thread1 = new MyThread(test); 6 MyThread thread2 = new MyThread(test); 7 thread1.start(); 8 thread2.start(); 9 10 try {11 Thread.sleep(2000);12 } catch (InterruptedException e) {13 e.printStackTrace();14 }15 thread2.interrupt();16 } 17 18 public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{19 lock.lockInterruptibly(); //注意,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面,然后将InterruptedException抛出20 try { 21 System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");22 long startTime = System.currentTimeMillis();23 for( ; ;) {24 if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)25 break;26 //插入数据27 }28 }29 finally {30 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");31 lock.unlock();32 System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");33 } 34 }35 }36 37 class MyThread extends Thread {38 private Test test = null;39 public MyThread(Test test) {40 this.test = test;41 }42 @Override43 public void run() {44 45 try {46 test.insert(Thread.currentThread());47 } catch (InterruptedException e) {48 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");49 }50 }51 }
运行之后,发现thread-1(thread-0是第1个线程,thread-1是第2个线程)能够被正确中断。
(3)ReadWriteLock
ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:
1 public interface ReadWriteLock { 2 /** 3 * Returns the lock used for reading. 4 * 5 * @return the lock used for reading. 6 */ 7 Lock readLock(); 8 9 /**10 * Returns the lock used for writing.11 *12 * @return the lock used for writing.13 */14 Lock writeLock();15 }16
一个用来获取读锁,一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开,分成2个锁来分配给线程,从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
(4)ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。
下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话,先看一下synchronized达到的效果:
1 public class Test { 2 private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 3 4 public static void main(String[] args) { 5 final Test test = new Test(); 6 7 new Thread(){ 8 public void run() { 9 test.get(Thread.currentThread());10 };11 }.start();12 13 new Thread(){14 public void run() {15 test.get(Thread.currentThread());16 };17 }.start();18 19 } 20 21 public synchronized void get(Thread thread) {22 long start = System.currentTimeMillis();23 while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {24 System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");25 }26 System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");27 }28 }
这段程序的输出结果会是,直到thread1执行完读操作之后,才会打印thread2执行读操作的信息。
Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0读操作完毕Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1读操作完毕
而改成用读写锁的话:
1 public class Test { 2 private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 3 4 public static void main(String[] args) { 5 final Test test = new Test(); 6 7 new Thread(){ 8 public void run() { 9 test.get(Thread.currentThread());10 };11 }.start();12 13 new Thread(){14 public void run() {15 test.get(Thread.currentThread());16 };17 }.start();18 19 } 20 21 public void get(Thread thread) {22 rwl.readLock().lock();23 try {24 long start = System.currentTimeMillis();25 26 while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {27 System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");28 }29 System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");30 } finally {31 rwl.readLock().unlock();32 }33 }34 }
此时打印的结果为:
Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0正在进行读操作Thread-1正在进行读操作Thread-0读操作完毕Thread-1读操作完毕
说明thread1和thread2在同时进行读操作。
这样就大大提升了读操作的效率。
不过要注意的是,如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。
关于ReentrantReadWriteLock类中的其他方法感兴趣的朋友可以自行查阅API文档。
(5)Lock和synchronized的选择
总结来说,Lock和synchronized有以下几点不同:
1)Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现;
2)synchronized在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock在发生异常时,如果没有主动通过unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用Lock时需要在finally块中释放锁;
3)Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;
4)通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到。
5)Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。
在性能上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的,而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。
4. 锁的相关概念介绍
在前面介绍了Lock的基本使用,这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。
(1)可重入锁
如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。
看下面这段代码就明白了:
1 class MyClass {2 public synchronized void method1() {3 method2();4 }5 6 public synchronized void method2() {7 8 }9 }
上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。
而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。
(2)可中断锁
可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。
在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。
如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。
在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。
(3)公平锁
公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。
而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。
看一下这2个类的源代码就清楚了:
在ReentrantLock中定义了2个静态内部类,一个是NotFairSync,一个是FairSync,分别用来实现非公平锁和公平锁。
我们可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
如果参数为true表示为公平锁,为fasle为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。
另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如:
isFair() //判断锁是否是公平锁
isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。
(4)读写锁
读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。
正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。
上面已经演示过了读写锁的使用方法,在此不再赘述。