【Java并发编程】之二十：并发新特性—Lock锁和条件变量（含代码）

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本文深入探讨Java中的Lock锁机制，包括ReentrantLock、读写锁的使用，以及与synchronized关键字的性能和用途比较。详细介绍了Lock锁的高级功能，如可中断锁、公平锁、条件变量等，通过示例代码展示如何实现线程间的协作。

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简单使用Lock锁

Java 5中引入了新的锁机制——java.util.concurrent.locks中的显式的互斥锁：Lock接口，它提供了比synchronized更加广泛的锁定操作。Lock接口有3个实现它的类：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入锁、读锁和写锁。lock必须被显式地创建、锁定和释放，为了可以使用更多的功能，一般用ReentrantLock为其实例化。为了保证锁最终一定会被释放（可能会有异常发生），要把互斥区放在try语句块内，并在finally语句块中释放锁，尤其当有return语句时，return语句必须放在try字句中，以确保unlock（）不会过早发生，从而将数据暴露给第二个任务。因此，采用lock加锁和释放锁的一般形式如下：

Lock lock = new ReentrantLock();//默认使用非公平锁，如果要使用公平锁，需要传入参数true
........
lock.lock();
try {
//更新对象的状态
//捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束
//如果有return语句，放在这里
} finally {
lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放
}

ReetrankLock与synchronized比较

性能比较

在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的Lock对象，性能更高一些。Brian Goetz对这两种锁在JDK1.5、单核处理器及双Xeon处理器环境下做了一组吞吐量对比的实验，发现多线程环境下，synchronized的吞吐量下降的非常严重，而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。但与其说ReetrantLock性能好，倒不如说synchronized还有非常大的优化余地，于是到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

下面浅析以下两种锁机制的底层的实现策略。

互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因而这种同步又称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。synchronized采用的便是这种并发策略。

随着指令集的发展，我们有了另一种选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地讲就是先进性操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据被争用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重拾，直到试成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock采用的便是这种并发策略。

在乐观的并发策略中，需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，它靠硬件指令来保证，这里用的是CAS操作（Compare and Swap）。JDK1.5之后，Java程序才可以使用CAS操作。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState，这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。现代的CPU提供了指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法，意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。

Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性变量类，它们提供的如：compareAndSet（）、incrementAndSet（）和getAndIncrement（）等方法都使用了CAS操作。因此，它们都是由硬件指令来保证的原子方法。

用途比较

基本语法上，ReentrantLock与synchronized很相似，它们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别而已，一个表现为API层面的互斥锁（Lock），一个表现为原生语法层面的互斥锁（synchronized）。ReentrantLock相对synchronized而言还是增加了一些高级功能，主要有以下三项：

1、等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。而在等待由synchronized产生的互斥锁时，会一直阻塞，是不能被中断的。

2、可实现公平锁：多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序排队等待，而非公平锁则不保证这点，在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁时非公平锁，ReentrantLock默认情况下也是非公平锁，但可以通过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。

3、锁可以绑定多个条件：ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象（名曰：条件变量或条件队列），而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含条件，但如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一起的其他线程）。

可中断锁

ReetrantLock有两种锁：忽略中断锁和响应中断锁。忽略中断锁与synchronized实现的互斥锁一样，不能响应中断，而响应中断锁可以响应中断。

如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，如果此时ReetrantLock提供的是忽略中断锁，则它不会去理会该中断，而是让线程B继续等待，而如果此时ReetrantLock提供的是响应中断锁，那么它便会处理中断，让线程B放弃等待，转而去处理其他事情。

获得响应中断锁的一般形式如下：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
...........
lock.lockInterruptibly();//获取响应中断锁
try {
//更新对象的状态
//捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束
//如果有return语句，放在这里
}finally{
lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放
}

这里有一个不错的分析中断的示例代码（摘自网上）

当用synchronized中断对互斥锁的等待时，并不起作用，该线程依然会一直等待，如下面的实例：

public class Buffer {
private Object lock;
public Buffer() {
lock = this;
}
public void write() {
synchronized (lock) {
long startTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
for (;;)// 模拟要处理很长时间
{
if (System.currentTimeMillis()
- startTime > Integer.MAX_VALUE) {
break;
}
}
System.out.println("终于写完了");
}
}
public void read() {
synchronized (lock) {
System.out.println("从这个buff读数据");
}
}
public static void main(String[] args) {
Buffer buff = new Buffer();
final Writer writer = new Writer(buff);
final Reader reader = new Reader(buff);
writer.start();
reader.start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
long start = System.currentTimeMillis();
for (;;) {
//等5秒钟去中断读
if (System.currentTimeMillis()
- start > 5000) {
System.out.println("不等了，尝试中断");
reader.interrupt(); //尝试中断读线程
break;
}
}
}
}).start();
// 我们期待“读”这个线程能退出等待锁，可是事与愿违，一旦读这个线程发现自己得不到锁，
// 就一直开始等待了，就算它等死，也得不到锁，因为写线程要21亿秒才能完成 T_T ，即使我们中断它，
// 它都不来响应下，看来真的要等死了。这个时候，ReentrantLock给了一种机制让我们来响应中断，
// 让“读”能伸能屈，勇敢放弃对这个锁的等待。我们来改写Buffer这个类，就叫BufferInterruptibly吧，可中断缓存。
}
}
class Writer extends Thread {
private Buffer buff;
public Writer(Buffer buff) {
this.buff = buff;
}
@Override
public void run() {
buff.write();
}
}
class Reader extends Thread {
private Buffer buff;
public Reader(Buffer buff) {
this.buff = buff;
}
@Override
public void run() {
buff.read();//这里估计会一直阻塞
System.out.println("读结束");
}
}

执行结果如下：

我们等待了很久，后面依然没有输出，说明读线程对互斥锁的等待并没有被中断，也就是该户吃锁没有响应对读线程的中断。

我们再将上面代码中synchronized的互斥锁改为ReentrantLock的响应中断锁，即改为如下代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class BufferInterruptibly {
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void write() {
lock.lock();
try {
long startTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
for (;;)// 模拟要处理很长时间
{
if (System.currentTimeMillis()
- startTime > Integer.MAX_VALUE) {
break;
}
}
System.out.println("终于写完了");
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void read() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();// 注意这里，可以响应中断
try {
System.out.println("从这个buff读数据");
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String args[]) {
BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly();
final Writer2 writer = new Writer2(buff);
final Reader2 reader = new Reader2(buff);
writer.start();
reader.start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
long start = System.currentTimeMillis();
for (;;) {
if (System.currentTimeMillis()
- start > 5000) {
System.out.println("不等了，尝试中断");
reader.interrupt(); //此处中断读操作
break;
}
}
}
}).start();
}
}
class Reader2 extends Thread {
private BufferInterruptibly buff;
public Reader2(BufferInterruptibly buff) {
this.buff = buff;
}
@Override
public void run() {
try {
buff.read();//可以收到中断的异常，从而有效退出
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("我不读了");
}
System.out.println("读结束");
}
}
class Writer2 extends Thread {
private BufferInterruptibly buff;
public Writer2(BufferInterruptibly buff) {
this.buff = buff;
}
@Override
public void run() {
buff.write();
}
}

执行结果如下：

从结果中可以看出，尝试中断后输出了catch语句块中的内容，也输出了后面的“读结束”，说明线程对互斥锁的等待被中断了，也就是该互斥锁响应了对读线程的中断。

条件变量实现线程间协作

在生产者——消费者模型一文中，我们用synchronized实现互斥，并配合使用Object对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法来实现线程间协作。Java 5之后，我们可以用Reentrantlock锁配合Condition对象上的await（）和signal（）或signalAll（）方法来实现线程间协作。在ReentrantLock对象上newCondition（）可以得到一个Condition对象，可以通过在Condition上调用await（）方法来挂起一个任务（线程），通过在Condition上调用signal（）来通知任务，从而唤醒一个任务，或者调用signalAll（）来唤醒所有在这个Condition上被其自身挂起的任务。另外，如果使用了公平锁，signalAll（）的与Condition关联的所有任务将以FIFO队列的形式获取锁，如果没有使用公平锁，则获取锁的任务是随机的，这样我们便可以更好地控制处在await状态的任务获取锁的顺序。与notifyAll（）相比，signalAll（）是更安全的方式。另外，它可以指定唤醒与自身Condition对象绑定在一起的任务。

下面将生产者——消费者模型一文中的代码改为用条件变量实现，如下：

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
class Info{ // 定义信息类
private String name = "name";//定义name属性，为了与下面set的name属性区别开
private String content = "content" ;// 定义content属性，为了与下面set的content属性区别开
private boolean flag = true ; // 设置标志位,初始时先生产
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象
public void set(String name,String content){
lock.lock();
try{
while(!flag){
condition.await() ;
}
this.setName(name) ; // 设置名称
Thread.sleep(300) ;
this.setContent(content) ; // 设置内容
flag = false ; // 改变标志位，表示可以取走
condition.signal();
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}finally{
lock.unlock();
}
}
public void get(){
lock.lock();
try{
while(flag){
condition.await() ;
}
Thread.sleep(300) ;
System.out.println(this.getName() +
" --> " + this.getContent()) ;
flag = true ; // 改变标志位，表示可以生产
condition.signal();
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}finally{
lock.unlock();
}
}
public void setName(String name){
this.name = name ;
}
public void setContent(String content){
this.content = content ;
}
public String getName(){
return this.name ;
}
public String getContent(){
return this.content ;
}
}
class Producer implements Runnable{ // 通过Runnable实现多线程
private Info info = null ; // 保存Info引用
public Producer(Info info){
this.info = info ;
}
public void run(){
boolean flag = true ; // 定义标记位
for(int i=0;i<10;i++){
if(flag){
this.info.set("姓名--1","内容--1") ; // 设置名称
flag = false ;
}else{
this.info.set("姓名--2","内容--2") ; // 设置名称
flag = true ;
}
}
}
}
class Consumer implements Runnable{
private Info info = null ;
public Consumer(Info info){
this.info = info ;
}
public void run(){
for(int i=0;i<10;i++){
this.info.get() ;
}
}
}
public class ThreadCaseDemo{
public static void main(String args[]){
Info info = new Info(); // 实例化Info对象
Producer pro = new Producer(info) ; // 生产者
Consumer con = new Consumer(info) ; // 消费者
new Thread(pro).start() ;
//启动了生产者线程后，再启动消费者线程
try{
Thread.sleep(500) ;
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}
new Thread(con).start() ;
}
}

执行后，同样可以得到如下的结果：

姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
从以上并不能看出用条件变量的await（）、signal（）、signalAll（）方法比用Object对象的wait（）、notify（）、notifyAll（）方法实现线程间协作有多少优点，但它在处理更复杂的多线程问题时，会有明显的优势。所以，Lock和Condition对象只有在更加困难的多线程问题中才是必须的。