Java并发编程02:可重入锁ReentrantLock

最新推荐文章于 2024-05-27 21:46:09 发布

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#ReentrantLock #Java并发 #await/signal #Condition #公平锁

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本文介绍了Java中可重入锁ReentrantLock的使用，它能完全替代synchronized，更灵活但需手动释放。详细讲解了获取锁的方法，如尝试锁、可中断锁、公平锁，还阐述了等待/通知（await/signal）机制，包括相关方法、Condition对象，以及如何用其实现生产者/消费者模式。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Java并发编程02:可重入锁ReentrantLock

可重入锁`ReentrantLock`

可重入锁`ReentrantLock`

`ReentrantLock`的使用

ReentrantLock可以完全替代synchronized,提供了一种更灵活的锁.
ReenTrantLock必须手动释放锁,为防止发生异常,必须将同步代码用try包裹起来,在finally代码块中释放锁.

public class T {

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 使用ReentrantLock的写法
    private void m1() {
        // 尝试获得锁
        lock.lock(); 
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        } finally {
            lock.unlock(); 
        }
    }

    // 使用synchronized的写法
    private synchronized void m2() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        T t = new T();
        new Thread(t::m1, "t1").start(); 
        new Thread(t::m2, "t2").start(); 
    }
}

`ReentrantLock`获取锁的方法

尝试锁`tryLock()`

使用tryLock()方法可以尝试获得锁,返回一个boolean值,指示是否获得锁.

可以给tryLock方法传入阻塞时长,当超出阻塞时长时,线程退出阻塞状态转而执行其他操作.

public class T {

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    void m() {
        boolean isLocked = false;        // 记录是否得到锁

        // 改变下面两个量的大小关系,观察输出
        int synTime = 4;   	 // 同步操作耗时
        int waitTime = 2;    // 获取锁的等待时间

        try {
            isLocked = lock.tryLock(waitTime, TimeUnit.SECONDS);    // 线程在这里阻塞waitTime秒,尝试获取锁
            if (isLocked) {
                // 若waitTime秒内得到锁,则执行同步操作
                for (int i = 1; i <= synTime; i++) {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "持有锁,执行同步操作");
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 使用tryLock()方法,尝试解除标记时,一定要先判断当前线程是否持有锁
            if (isLocked) {
                lock.unlock();
            }
        }
        // 执行非同步操作
        while (true) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没持有锁,执行非同步操作");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        T t = new T();
        new Thread(t::m, "线程1").start();
        new Thread(t::m, "线程2").start();
    }
}

若我们设置同步操作耗时4秒,获取锁的等待时间为2秒,则程序执行结果如下. 我们发现线程2在阻塞时间内没能抢到锁,直接执行非阻塞方法:

线程1持有锁,执行同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
...

若我们设置同步操作耗时4秒,获取锁的等待时间为5秒,则程序执行结果如下. 我们发现线程2在阻塞时间内成功抢到锁,先执行完同步方法才执行非同步方法:

线程1持有锁,执行同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程1持有锁,执行同步操作
线程2持有锁,执行同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2持有锁,执行同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2持有锁,执行同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2持有锁,执行同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
线程1没持有锁,执行非同步操作
线程2没持有锁,执行非同步操作
....

可中断锁`lockInterruptibly()`

使用lockInterruptibly()以一种可被中断的方式获取锁.获取不到锁时线程进入阻塞状态,但这种阻塞状态可以被中断.调用被阻塞线程的interrupt()方法可以中断该线程的阻塞状态,并抛出InterruptedException异常.

interrupt()方法只能中断线程的阻塞状态.若某线程已经得到锁或根本没去尝试获得锁,则该线程当前没有处于阻塞状态,因此不能被interrupt()方法中断.

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 线程1一直占用着lock锁
    new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程1启动");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);  // 线程一直占用锁
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "线程1").start();

    // 线程2抢不到lock锁,若不被中断则一直被阻塞
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        try {
            lock.lockInterruptibly();       // 尝试获取锁,若获取不到锁则一直阻塞
            System.out.println("线程2启动");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程2阻塞过程中被中断");
        } finally {
            if (lock.isLocked()) {
                try {
                    lock.unlock(); // 没有锁定进行unlock就会抛出IllegalMonitorStateException异常
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }
    }, "线程2");
    t2.start();

    // 4秒后中断线程2
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    t2.interrupt();
}

程序输出如下:

线程1启动
线程2阻塞过程中被中断

并不是所有处于阻塞状态的线程都可以被interrupt()方法中断,要看该线程处于具体的哪种阻塞状态.阻塞状态包括普通阻塞,等待队列,锁池队列.

普通阻塞: 调用sleep()方法的线程处于普通阻塞,调用其interrupt()方法可以中断其阻塞状态并抛出InterruptedException异常
等待队列: 调用锁的wait()方法将持有当前锁的线程转入等待队列,这种阻塞状态只能由锁对象的notify()方法唤醒,而不能被线程的interrupt()方法中断.
锁池队列: 尝试获取锁但没能成功抢到锁的线程会进入锁池队列:
- 争抢synchronized锁的线程的阻塞状态不能被中断.
- 使用ReentrantLock的lock()方法争抢锁的线程的阻塞状态不能被中断.
- 使用ReentrantLock的tryLock()和lockInterruptibly()方法争抢锁的线程的阻塞状态可以被中断.

关于interrupted()方法的使用,可以查看这篇文章Java中interrupt的使用,总结来说,就是interrupt()方法不能打断线程,但是会给该线程发送一个interrupt信号,让该线程自己决定如何处理该信号,但有一种特殊情况:若该线程正处于阻塞状态,调用其interrupt()方法会抛出InterruptedException.

公平锁

在初始化ReentrantLock时给其fair参数传入true,可以指定该锁为公平锁.

CPU默认的进程调度是不公平的,也就是说,CPU不能保证等待时间较长的线程先被执行.但公平锁可以保证等待时间较长的线程先被执行.

public class T implements Runnable {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);// 指定锁为公平锁

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "持有锁");
            } finally {
                lock.unlock(); 
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        T t = new T();
        new Thread(t, "线程1").start();
        new Thread(t, "线程2").start();
    }
}

程序输出如下,发现两个线程严格交替执行

线程1持有锁
线程2持有锁
线程1持有锁
线程2持有锁
线程1持有锁
线程2持有锁
...

等待/通知(await/signal)机制

`await()`和`signal()`方法

与synchronized关键字类似,ReentrantLock锁也支持等待/通知机制.与synchronized不同的是,不是将线程阻塞在锁上,而是将其阻塞在条件Condition对象上,要通过Condition对象调用这些方法.

public void await(): 将当前线程阻塞在调用该方法的Condition对象上
public void signal(): 唤醒一个阻塞在调用该方法的Condition对象上的线程
public void signalAll(): 唤醒所有阻塞在调用该方法的Condition对象上的线程

理解`Condition`对象

要深入理解Condition对象,可以阅读这篇文章:使用Condition进行线程间通信(若微信打不开链接,可以点击阅读原文点开该链接),对该文章总结如下:

Condition对象将Object的监视器方法(wait(),notify()和notifyAll())分解成截然不同的条件对象,使等待/通知机制支持多路等待.

多个Condition对象被绑定到一个ReentrantLock对象上,一个锁上可以绑定多个Condition对象,用来控制多个执行路线的等待通知,可以通过锁对象的newCondition()方法得到一个绑定到当前对象上的Condition对象.

要注意的是,Condition对象是绑定到锁对象上的(可以理解为一种细粒度更高的锁),而不是绑定在线程上的.因此分析其wait(),notify()和notifyAll()还是要针对锁来进行分析,而不是直接分析Condition对应哪个线程.

使用`Condition`对象实现生产者/消费者模式

使用synchronized的wait()/notify()可以实现生产者/消费者模式,具体见我的上一篇文章Java并发编程01:Java多线程基础(synchronized,volatile,wait/notify)

下面我们使用Condition对象实现生产者/消费者模式:

// 同步栈,用于在生产者线程和消费者线程之间通信
class SyncStack {

    private Lock lock = new ReentrantLock();        // 锁对象
    
    // 绑定在锁上的一个条件,阻塞在该条件上的线程为生产者线程
    private Condition producerCondition = lock.newCondition(); 
    
    // 绑定在锁上的一个条件,阻塞在该条件上的线程为消费者线程
    private Condition consumerCondition = lock.newCondition();  

    int MAX_SIZE = 5;      // 同步队列的最大容量
    Queue<Product> products = new LinkedList<>();   // 同步队列


    // 向栈中送入产品
    public void push(Product product) {
        lock.lock();
        try {
            while (products.size() == MAX_SIZE) {
                try {
                    // 当前线程应该是生产者线程,因此将当前线程阻塞在producerCondition上
                    producerCondition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            products.add(product);
            // 唤醒所有阻塞在consumerCondition的线程,这些被唤醒的线程都应该是消费者线程
            consumerCondition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 从栈中取出产品
    public Product pop() {
        lock.lock();
        try {
            while (products.size() == 0) {
                try {
                    // 当前线程应该是消费者线程,因此将当前线程阻塞在consumerCondition上
                    consumerCondition.await();
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            Product product = products.peek();
            products.remove();
            // 唤醒所有阻塞在producerCondition的线程,这些被唤醒的线程都应该是生产者线程
            producerCondition.signalAll();
            return product;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SyncStack syncStack = new SyncStack();

        // 启动2个生产者线程
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 生产10个产品
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    Product product = new Product(j);
                    syncStack.push(product);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "produce" + product);
                    try {
                        Thread.sleep((int) (Math.random() * 100));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, "生产者线程" + i).start();
        }

        // 启动2个消费者线程
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 消费10个产品
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    Product product = syncStack.pop();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "consume" + product);
                    try {
                        Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, "消费者线程" + i).start();
        }
    }
}