詳解Java多線程編程中互斥鎖ReentrantLock類的用法
0.關(guān)于互斥鎖
所謂互斥鎖, 指的是一次最多只能有一個(gè)線程持有的鎖. 在jdk1.5之前, 我們通常使用synchronized機(jī)制控制多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問(wèn). 而現(xiàn)在, Lock提供了比synchronized機(jī)制更廣泛的鎖定操作, Lock和synchronized機(jī)制的主要區(qū)別:
synchronized機(jī)制提供了對(duì)與每個(gè)對(duì)象相關(guān)的隱式監(jiān)視器鎖的訪問(wèn), 并強(qiáng)制所有鎖獲取和釋放均要出現(xiàn)在一個(gè)塊結(jié)構(gòu)中, 當(dāng)獲取了多個(gè)鎖時(shí), 它們必須以相反的順序釋放. synchronized機(jī)制對(duì)鎖的釋放是隱式的, 只要線程運(yùn)行的代碼超出了synchronized語(yǔ)句塊范圍, 鎖就會(huì)被釋放. 而Lock機(jī)制必須顯式的調(diào)用Lock對(duì)象的unlock()方法才能釋放鎖, 這為獲取鎖和釋放鎖不出現(xiàn)在同一個(gè)塊結(jié)構(gòu)中, 以及以更自由的順序釋放鎖提供了可能。
1. ReentrantLock介紹
ReentrantLock是一個(gè)可重入的互斥鎖,又被稱為“獨(dú)占鎖”。
顧名思義,ReentrantLock鎖在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能被一個(gè)線程鎖持有;而可重入的意思是,ReentrantLock鎖,可以被單個(gè)線程多次獲取。
ReentrantLock分為“公平鎖”和“非公平鎖”。它們的區(qū)別體現(xiàn)在獲取鎖的機(jī)制上是否公平?!版i”是為了保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)資源,防止多個(gè)線程同時(shí)操作線程而出錯(cuò),ReentrantLock在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能被一個(gè)線程獲取(當(dāng)某線程獲取到“鎖”時(shí),其它線程就必須等待);ReentraantLock是通過(guò)一個(gè)FIFO的等待隊(duì)列來(lái)管理獲取該鎖所有線程的。在“公平鎖”的機(jī)制下,線程依次排隊(duì)獲取鎖;而“非公平鎖”在鎖是可獲取狀態(tài)時(shí),不管自己是不是在隊(duì)列的開(kāi)頭都會(huì)獲取鎖。
ReentrantLock函數(shù)列表
// 創(chuàng)建一個(gè) ReentrantLock ,默認(rèn)是“非公平鎖”。 ReentrantLock() // 創(chuàng)建策略是fair的 ReentrantLock。fair為true表示是公平鎖,fair為false表示是非公平鎖。 ReentrantLock(boolean fair) // 查詢當(dāng)前線程保持此鎖的次數(shù)。 int getHoldCount() // 返回目前擁有此鎖的線程,如果此鎖不被任何線程擁有,則返回 null。 protected Thread getOwner() // 返回一個(gè) collection,它包含可能正等待獲取此鎖的線程。 protected Collection<Thread> getQueuedThreads() // 返回正等待獲取此鎖的線程估計(jì)數(shù)。 int getQueueLength() // 返回一個(gè) collection,它包含可能正在等待與此鎖相關(guān)給定條件的那些線程。 protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) // 返回等待與此鎖相關(guān)的給定條件的線程估計(jì)數(shù)。 int getWaitQueueLength(Condition condition) // 查詢給定線程是否正在等待獲取此鎖。 boolean hasQueuedThread(Thread thread) // 查詢是否有些線程正在等待獲取此鎖。 boolean hasQueuedThreads() // 查詢是否有些線程正在等待與此鎖有關(guān)的給定條件。 boolean hasWaiters(Condition condition) // 如果是“公平鎖”返回true,否則返回false。 boolean isFair() // 查詢當(dāng)前線程是否保持此鎖。 boolean isHeldByCurrentThread() // 查詢此鎖是否由任意線程保持。 boolean isLocked() // 獲取鎖。 void lock() // 如果當(dāng)前線程未被中斷,則獲取鎖。 void lockInterruptibly() // 返回用來(lái)與此 Lock 實(shí)例一起使用的 Condition 實(shí)例。 Condition newCondition() // 僅在調(diào)用時(shí)鎖未被另一個(gè)線程保持的情況下,才獲取該鎖。 boolean tryLock() // 如果鎖在給定等待時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被另一個(gè)線程保持,且當(dāng)前線程未被中斷,則獲取該鎖。 boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) // 試圖釋放此鎖。 void unlock()
2. ReentrantLock示例
通過(guò)對(duì)比“示例1”和“示例2”,我們能夠清晰的認(rèn)識(shí)lock和unlock的作用
2.1 示例1
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; // LockTest1.java // 倉(cāng)庫(kù) class Depot { private int size; // 倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際數(shù)量 private Lock lock; // 獨(dú)占鎖 public Depot() { this.size = 0; this.lock = new ReentrantLock(); } public void produce(int val) { lock.lock(); try { size += val; System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", Thread.currentThread().getName(), val, size); } finally { lock.unlock(); } } public void consume(int val) { lock.lock(); try { size -= val; System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", Thread.currentThread().getName(), val, size); } finally { lock.unlock(); } } }; // 生產(chǎn)者 class Producer { private Depot depot; public Producer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程向倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)產(chǎn)品。 public void produce(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.produce(val); } }.start(); } } // 消費(fèi)者 class Customer { private Depot depot; public Customer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程從倉(cāng)庫(kù)中消費(fèi)產(chǎn)品。 public void consume(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.consume(val); } }.start(); } } public class LockTest1 { public static void main(String[] args) { Depot mDepot = new Depot(); Producer mPro = new Producer(mDepot); Customer mCus = new Customer(mDepot); mPro.produce(60); mPro.produce(120); mCus.consume(90); mCus.consume(150); mPro.produce(110); } }
運(yùn)行結(jié)果:
Thread-0 produce(60) --> size=60 Thread-1 produce(120) --> size=180 Thread-3 consume(150) <-- size=30 Thread-2 consume(90) <-- size=-60 Thread-4 produce(110) --> size=50
結(jié)果分析:
(1) Depot 是個(gè)倉(cāng)庫(kù)。通過(guò)produce()能往倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)貨物,通過(guò)consume()能消費(fèi)倉(cāng)庫(kù)中的貨物。通過(guò)獨(dú)占鎖lock實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)的互斥訪問(wèn):在操作(生產(chǎn)/消費(fèi))倉(cāng)庫(kù)中貨品前,會(huì)先通過(guò)lock()鎖住倉(cāng)庫(kù),操作完之后再通過(guò)unlock()解鎖。
(2) Producer是生產(chǎn)者類。調(diào)用Producer中的produce()函數(shù)可以新建一個(gè)線程往倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)產(chǎn)品。
(3) Customer是消費(fèi)者類。調(diào)用Customer中的consume()函數(shù)可以新建一個(gè)線程消費(fèi)倉(cāng)庫(kù)中的產(chǎn)品。
(4) 在主線程main中,我們會(huì)新建1個(gè)生產(chǎn)者mPro,同時(shí)新建1個(gè)消費(fèi)者mCus。它們分別向倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)/消費(fèi)產(chǎn)品。
根據(jù)main中的生產(chǎn)/消費(fèi)數(shù)量,倉(cāng)庫(kù)最終剩余的產(chǎn)品應(yīng)該是50。運(yùn)行結(jié)果是符合我們預(yù)期的!
這個(gè)模型存在兩個(gè)問(wèn)題:
(1) 現(xiàn)實(shí)中,倉(cāng)庫(kù)的容量不可能為負(fù)數(shù)。但是,此模型中的倉(cāng)庫(kù)容量可以為負(fù)數(shù),這與現(xiàn)實(shí)相矛盾!
(2) 現(xiàn)實(shí)中,倉(cāng)庫(kù)的容量是有限制的。但是,此模型中的容量確實(shí)沒(méi)有限制的!
這兩個(gè)問(wèn)題,我們稍微會(huì)講到如何解決?,F(xiàn)在,先看個(gè)簡(jiǎn)單的示例2;通過(guò)對(duì)比“示例1”和“示例2”,我們能更清晰的認(rèn)識(shí)lock(),unlock()的用途。
2.2 示例2
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; // LockTest2.java // 倉(cāng)庫(kù) class Depot { private int size; // 倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際數(shù)量 private Lock lock; // 獨(dú)占鎖 public Depot() { this.size = 0; this.lock = new ReentrantLock(); } public void produce(int val) { // lock.lock(); // try { size += val; System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", Thread.currentThread().getName(), val, size); // } catch (InterruptedException e) { // } finally { // lock.unlock(); // } } public void consume(int val) { // lock.lock(); // try { size -= val; System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", Thread.currentThread().getName(), val, size); // } finally { // lock.unlock(); // } } }; // 生產(chǎn)者 class Producer { private Depot depot; public Producer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程向倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)產(chǎn)品。 public void produce(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.produce(val); } }.start(); } } // 消費(fèi)者 class Customer { private Depot depot; public Customer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程從倉(cāng)庫(kù)中消費(fèi)產(chǎn)品。 public void consume(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.consume(val); } }.start(); } } public class LockTest2 { public static void main(String[] args) { Depot mDepot = new Depot(); Producer mPro = new Producer(mDepot); Customer mCus = new Customer(mDepot); mPro.produce(60); mPro.produce(120); mCus.consume(90); mCus.consume(150); mPro.produce(110); } }
(某一次)運(yùn)行結(jié)果:
Thread-0 produce(60) --> size=-60 Thread-4 produce(110) --> size=50 Thread-2 consume(90) <-- size=-60 Thread-1 produce(120) --> size=-60 Thread-3 consume(150) <-- size=-60
結(jié)果說(shuō)明:
“示例2”在“示例1”的基礎(chǔ)上去掉了lock鎖。在“示例2”中,倉(cāng)庫(kù)中最終剩余的產(chǎn)品是-60,而不是我們期望的50。原因是我們沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)的互斥訪問(wèn)。
2.3 示例3
在“示例3”中,我們通過(guò)Condition去解決“示例1”中的兩個(gè)問(wèn)題:“倉(cāng)庫(kù)的容量不可能為負(fù)數(shù)”以及“倉(cāng)庫(kù)的容量是有限制的”。
解決該問(wèn)題是通過(guò)Condition。Condition是需要和Lock聯(lián)合使用的:通過(guò)Condition中的await()方法,能讓線程阻塞[類似于wait()];通過(guò)Condition的signal()方法,能讓喚醒線程[類似于notify()]。
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; import java.util.concurrent.locks.Condition; // LockTest3.java // 倉(cāng)庫(kù) class Depot { private int capacity; // 倉(cāng)庫(kù)的容量 private int size; // 倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際數(shù)量 private Lock lock; // 獨(dú)占鎖 private Condition fullCondtion; // 生產(chǎn)條件 private Condition emptyCondtion; // 消費(fèi)條件 public Depot(int capacity) { this.capacity = capacity; this.size = 0; this.lock = new ReentrantLock(); this.fullCondtion = lock.newCondition(); this.emptyCondtion = lock.newCondition(); } public void produce(int val) { lock.lock(); try { // left 表示“想要生產(chǎn)的數(shù)量”(有可能生產(chǎn)量太多,需多此生產(chǎn)) int left = val; while (left > 0) { // 庫(kù)存已滿時(shí),等待“消費(fèi)者”消費(fèi)產(chǎn)品。 while (size >= capacity) fullCondtion.await(); // 獲取“實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)量”(即庫(kù)存中新增的數(shù)量) // 如果“庫(kù)存”+“想要生產(chǎn)的數(shù)量”>“總的容量”,則“實(shí)際增量”=“總的容量”-“當(dāng)前容量”。(此時(shí)填滿倉(cāng)庫(kù)) // 否則“實(shí)際增量”=“想要生產(chǎn)的數(shù)量” int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left; size += inc; left -= inc; System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n", Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size); // 通知“消費(fèi)者”可以消費(fèi)了。 emptyCondtion.signal(); } } catch (InterruptedException e) { } finally { lock.unlock(); } } public void consume(int val) { lock.lock(); try { // left 表示“客戶要消費(fèi)數(shù)量”(有可能消費(fèi)量太大,庫(kù)存不夠,需多此消費(fèi)) int left = val; while (left > 0) { // 庫(kù)存為0時(shí),等待“生產(chǎn)者”生產(chǎn)產(chǎn)品。 while (size <= 0) emptyCondtion.await(); // 獲取“實(shí)際消費(fèi)的數(shù)量”(即庫(kù)存中實(shí)際減少的數(shù)量) // 如果“庫(kù)存”<“客戶要消費(fèi)的數(shù)量”,則“實(shí)際消費(fèi)量”=“庫(kù)存”; // 否則,“實(shí)際消費(fèi)量”=“客戶要消費(fèi)的數(shù)量”。 int dec = (size<left) ? size : left; size -= dec; left -= dec; System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n", Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size); fullCondtion.signal(); } } catch (InterruptedException e) { } finally { lock.unlock(); } } public String toString() { return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size; } }; // 生產(chǎn)者 class Producer { private Depot depot; public Producer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程向倉(cāng)庫(kù)中生產(chǎn)產(chǎn)品。 public void produce(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.produce(val); } }.start(); } } // 消費(fèi)者 class Customer { private Depot depot; public Customer(Depot depot) { this.depot = depot; } // 消費(fèi)產(chǎn)品:新建一個(gè)線程從倉(cāng)庫(kù)中消費(fèi)產(chǎn)品。 public void consume(final int val) { new Thread() { public void run() { depot.consume(val); } }.start(); } } public class LockTest3 { public static void main(String[] args) { Depot mDepot = new Depot(100); Producer mPro = new Producer(mDepot); Customer mCus = new Customer(mDepot); mPro.produce(60); mPro.produce(120); mCus.consume(90); mCus.consume(150); mPro.produce(110); } }
(某一次)運(yùn)行結(jié)果:
Thread-0 produce( 60) --> left= 0, inc= 60, size= 60 Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100 Thread-2 consume( 90) <-- left= 0, dec= 90, size= 10 Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size= 0 Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100 Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size= 0 Thread-4 produce(110) --> left= 0, inc= 10, size= 10 Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size= 0 Thread-1 produce(120) --> left= 0, inc= 80, size= 80 Thread-3 consume(150) <-- left= 0, dec= 30, size= 50
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