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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