Java中的锁

Lock接口

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）。在Lock接口出现之前，Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的，而Java SE 5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式地获取和释放锁。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。
Lock锁使用

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
} finally {
lock.unlock();
}

队列同步器

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下简称同步器），是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。
同步器的设计是基于模板方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模板方法，而这些模板方法将会调用使用者重写的方法。


同步器提供的模板方法基本上分为3类：独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定义同步组件将使用同步器提供的模板方法来实现自己的同步语义。

1. 同步队列
   同步器依赖内部的同步队列（一个FIFO双向队列）来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再
   次尝试获取同步状态。同步队列中的节点（Node）用来保存获取同步状态失败的线程引用、等待状态以及前驱和后继节点。
   
   节点是构成同步队列的基础，同步器拥有首节点（head）和尾节点（tail），没有成功获取同步状态的线程将会成为节点加入该队列的尾部。
   

2. 独占式同步状态获取与释放
   通过调用同步器的acquire(int arg)方法可以获取同步状态，该方法对中断不敏感，也就是由于线程获取同步状态失败后进入同步队列中，后续对线程进行中断操作时，线程不会从同步队列中移出。通过调用同步器的release(int arg)方法可以释放同步状态，该方法在释放了同步状态之后，会唤醒其后继节点（进而使后继节点重新尝试获取同步状态）。
   
   前驱节点为头节点且能够获取同步状态的判断条件和线程进入等待状态是获取同步状态的自旋过程。当同步状态获取成功之后，当前线程从acquire(int arg)方法返回，如果对于锁这种并发组件而言，代表着当前线程获取了锁。在获取同步状态时，同步器维护一个同步队列，获取状态失败的线程都会被加入到队列中并在队列中进行自旋；移出队列（或停止自旋）的条件是前驱节点为头节点且成功获取了同步状态。在释放同步状态时，同步器调用tryRelease(int arg)方法释放同步状态，然后唤醒头节点的后继节点。

3. 共享式同步状态获取与释放
   共享式获取与独占式获取最主要的区别在于同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。通过调用同步器的acquireShared(int arg)方法可以共享式地获取同步状态。通过调用releaseShared(int arg)方法可以释放同步状态。

4. 独占式超时获取同步状态
   通过调用同步器的doAcquireNanos(int arg,long nanosTimeout)方法可以超时获取同步状态，即在指定的时间段内获取同步状态，如果获取到同步状态则返回true，否则，返回false。
   

5. 自定义同步组件——TwinsLock

public class TwinsLock implements Lock {

	private final Sync sync = new Sync(2);
	
	private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
		Sync(int count) {
			if (count <= 0) {
				throw new IllegalArgumentException("count must largethan zero.");
			}
			setState(count);
		}

		public int tryAcquireShared(int reduceCount) {
			for (;;) {
				int current = getState();
				int newCount = current - reduceCount;
				if (newCount < 0 || compareAndSetState(current, newCount)) {
					return newCount;
				}
			}
		}

		public boolean tryReleaseShared(int returnCount) {
			for (;;) {
				int current = getState();
				int newCount = current + returnCount;
				if (compareAndSetState(current, newCount)) {
					return true;
				}
			}
		}
	}

	@Override
	public void lock() {
		sync.acquireShared(1);
	}

	@Override
	public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
		sync.acquireInterruptibly(1);
	}

	@Override
	public boolean tryLock() {
		return sync.tryAcquireShared(1) > 0;
	}

	@Override
	public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
			throws InterruptedException {
		return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(time));
	}

	@Override
	public void unlock() {
		sync.releaseShared(1);
	}

	@Override
	public Condition newCondition() {
		return null;
	}

}

public class TwinsLockTest {

	@Test
	public void test() throws InterruptedException {
		final Lock lock = new TwinsLock();
		
		class Worker extends Thread {
			public void run() {
				while (true) {
					lock.lock();
					try {
						Thread.sleep(1000);
						System.out.println(Thread.currentThread().getName());
						Thread.sleep(1000);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					} finally {
						lock.unlock();
					}
				}
			}
		}
		// 启动10个线程
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			Worker w = new Worker();
			w.setName("thread-"+i);
			w.start();
		}
		// 每隔1秒换行
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			Thread.sleep(1000);
			System.out.println("-------");
		}
	}
}

运行该测试用例，可以看到线程名称成对输出，也就是在同一时刻只有两个线程能够获取到锁，这表明TwinsLock可以按照预期正确工作。

重入锁

重入锁ReentrantLock，顾名思义，就是支持重进入的锁，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁的还支持获取锁时的公平和非公平性选择。

读写锁

之前提到锁（如Mutex和ReentrantLock）基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写
锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。
如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位切割使用”这个变量，读写锁将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写。假设当前同步状态值为S，写状态等于S&0x0000FFFF（将高16位全部抹去），读状态等于S>>>16（无符号补0右移
16位）。当写状态增加1时，等于S+1，当读状态增加1时，等于S+(1<<16)，也就是S+0x00010000。
锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁，然后将其释放，最后再获取读锁，这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。