Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition

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周日虎

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Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition

时间 2012-12-12 21:57:18 郑雪峰的专栏

原文 http://blog.youkuaiyun.com/a511596982/article/details/8288251

主题 Java 多线程

一、ReentrantLock 类

1.1 什么是reentrantlock

java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象，它允许把锁定的实现作为 Java 类，而不是作为语言的特性来实现。这就为 Lock 的多种实现留下了空间，各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。 ReentrantLock 类实现了 Lock ，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。（换句话说，当许多线程都想访问共享资源时，JVM 可以花更少的时候来调度线程，把更多时间用在执行线程上。）

reentrant 锁意味着什么呢？ 简单来说，它有一个与锁相关的获取计数器，如果拥有锁的某个线程再次得到锁，那么获取计数器就加1，然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义；如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块，就允许线程继续进行，当线程退出第二个（或者后续） synchronized 块的时候，不释放锁，只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时，才释放锁。

1.2 ReentrantLock与 synchronized的比较

相同： ReentrantLock提供了synchronized类似的功能和内存语义。

不同：

（1）ReentrantLock功能性方面更全面，比如时间锁等候，可中断锁等候，锁投票等，因此更有扩展性。在多个条件变量和高度竞争锁的地方，用ReentrantLock更合适，ReentrantLock还提供了Condition，对线程的等待和唤醒等操作更加灵活，一个ReentrantLock可以有多个Condition实例，所以更有扩展性。

（2）ReentrantLock 的性能比synchronized会好点。

（3）ReentrantLock提供了可轮询的锁请求，他可以尝试的去取得锁，如果取得成功则继续处理，取得不成功，可以等下次运行的时候处理，所以不容易产生死锁，而synchronized则一旦进入锁请求要么成功，要么一直阻塞，所以更容易产生死锁。

1.3 ReentrantLock扩展的功能

1.3.1 实现可轮询的锁请求

在内部锁中，死锁是致命的——唯一的恢复方法是重新启动程序，唯一的预防方法是在构建程序时不要出错。而可轮询的锁获取模式具有更完善的错误恢复机制，可以规避死锁的发生。
如果你不能获得所有需要的锁，那么使用可轮询的获取方式使你能够重新拿到控制权，它会释放你已经获得的这些锁，然后再重新尝试。可轮询的锁获取模式，由tryLock()方法实现。此方法仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。如果锁可用，则获取锁，并立即返回值true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值false。此方法的典型使用语句如下：

Lock lock = ...; 
if (lock.tryLock()) { 
try { 
// manipulate protected state 
} finally { 
lock.unlock(); 
} 
} else { 
// perform alternative actions 
}

1.3.2 实现可定时的锁请求

当使用内部锁时，一旦开始请求，锁就不能停止了，所以内部锁给实现具有时限的活动带来了风险。为了解决这一问题，可以使用定时锁。当具有时限的活
动调用了阻塞方法，定时锁能够在时间预算内设定相应的超时。如果活动在期待的时间内没能获得结果，定时锁能使程序提前返回。可定时的锁获取模式，由tryLock(long, TimeUnit)方法实现。

1.3.3 实现可中断的锁获取请求

可中断的锁获取操作允许在可取消的活动中使用。lockInterruptibly()方法能够使你获得锁的时候响应中断。

1.4 ReentrantLock不好与需要注意的地方

（1） lock 必须在 finally 块中释放。否则，如果受保护的代码将抛出异常，锁就有可能永远得不到释放！这一点区别看起来可能没什么，但是实际上，它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁，可能会在程序中留下一个定时炸弹，当有一天炸弹爆炸时，您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步，JVM 将确保锁会获得自动释放

（2）当 JVM 用 synchronized 管理锁定请求和释放时，JVM 在生成线程转储时能够包括锁定信息。这些对调试非常有价值，因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。 Lock 类只是普通的类，JVM 不知道具体哪个线程拥有 Lock 对象。

二、条件变量 Condition

条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

条件（也称为 条件队列 或 条件变量 ）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是： 以原子方式 释放相关的锁，并挂起当前线程，就像 Object.wait 做的那样。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定，而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的 Lock 中提到，获取一个条件变量的方法是 Lock.newCondition() 。

void await() throws InterruptedException;

void awaitUninterruptibly();

long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

void signal();

void signalAll();

以上是 Condition 接口定义的方法， await* 对应于 Object.wait ， signal 对应于 Object.notify ， signalAll 对应于 Object.notifyAll 。特别说明的是Condition 的接口改变名称就是为了避免与Object中的 wait/notify/notifyAll 的语义和使用上混淆，因为Condition同样有 wait/notify/notifyAll 方法。

每一个 Lock 可以有任意数据的 Condition 对象， Condition 是与 Lock 绑定的，所以就有 Lock 的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await 中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。

一个使用Condition实现生产者消费者的模型例子如下。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProductQueue<T> {

    private final T[] items;

    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition notFull = lock.newCondition();

    private Condition notEmpty = lock.newCondition();

    //
    private int head, tail, count;

    public ProductQueue(int maxSize) {
        items = (T[]) new Object[maxSize];
    }

    public ProductQueue() {
        this(10);
    }

    public void put(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == getCapacity()) {
                notFull.await();
            }
            items[tail] = t;
            if (++tail == getCapacity()) {
                tail = 0;
            }
            ++count;
            notEmpty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public T take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            T ret = items[head];
            items[head] = null;//GC
            //
            if (++head == getCapacity()) {
                head = 0;
            }
            --count;
            notFull.signalAll();
            return ret;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCapacity() {
        return items.length;
    }

    public int size() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

在这个例子中消费 take() 需要队列不为空，如果为空就挂起（ await() ），直到收到 notEmpty 的信号；生产 put() 需要队列不满，如果满了就挂起（ await()），直到收到 notFull 的信号。

可能有人会问题，如果一个线程 lock() 对象后被挂起还没有 unlock ，那么另外一个线程就拿不到锁了（ lock() 操作会挂起），那么就无法通知( notify )前一个线程，这样岂不是“死锁”了？

2.1 await* 操作

上一节中说过多次 ReentrantLock 是独占锁，一个线程拿到锁后如果不释放，那么另外一个线程肯定是拿不到锁，所以在 lock.lock() 和 lock.unlock() 之间可能有一次释放锁的操作（同样也必然还有一次获取锁的操作）。我们再回头看代码，不管take() 还是 put() ，在进入 lock.lock() 后唯一可能释放锁的操作就是 await()了。也就是说 await() 操作实际上就是释放锁，然后挂起线程，一旦条件满足就被唤醒，再次获取锁！

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

上面是 await() 的代码片段。上一节中说过,AQS在获取锁的时候需要有一个 CHL的FIFO队列，所以对于一个 Condition.await() 而言，如果释放了锁，要想再一次获取锁那么就需要进入队列，等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的：

1. 将当前线程加入 Condition 锁队列。特别说明的是，这里不同于 AQS 的队列，这里进入的是 Condition 的FIFO队列。后面会具体谈到此结构。进行2。
2. 释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
3. 自旋(while)挂起，直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
4. 获取锁( acquireQueued )。并将自己从 Condition 的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。

这里再回头介绍 Condition 的数据结构。我们知道一个 Condition 可以在多个地方被 await*() ，那么就需要一个FIFO的结构将这些 Condition 串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在 Condition 内部就需要一个FIFO的队列。

private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点（Node）数据结构。我们就发现 Node.nextWaiter 就派上用场了！ nextWaiter 就是将一系列的Condition.await* 串联起来组成一个FIFO的队列。

2.2 signal/signalAll 操作

await*() 清楚了，现在再来看 signal/signalAll 就容易多了。按照signal/signalAll 的需求，就是要将 Condition.await*() 中FIFO队列中第一个Node 唤醒（或者全部 Node ）唤醒。尽管所有 Node 可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter  = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

上面的代码很容易看出来， signal 就是唤醒 Condition 队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    Node p = enq(node);
    int c = p.waitStatus;
    if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

上面就是唤醒一个 await*() 线程的过程，根据前面的小节介绍的，如果要 unpark线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入 AQS 的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark 之前调用了 enq(node) 操作，将当前节点加入到 AQS 队列。

参考：

《深入浅出 Java Concurrency》—锁机制(一)Lock与ReentrantLock
http://blog.youkuaiyun.com/fg2006/article/details/6397894
Java多线程基础总结七：ReentrantLock(2)
http://www.bianceng.cn/Programming/Java/201206/34155_2.htm
再谈重入锁--ReentrantLock
http://tenyears.iteye.com/blog/48750
深入浅出 Java Concurrency (9): 锁机制 part 4
http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/08/325540.html