【多线程与并发】：Java中的锁

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锁的概念

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁可以防止多个线程同时访问共享资源（但有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，如读写锁）。

在JDK1.5之前，Java是通过synchronized关键字实现锁功能的：隐式地获取锁和释放锁，但不够灵活。

在JDK1.5，java.util.concurrent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，但功能更强大和灵活：获取锁和释放锁的可操作性、可中断地获取锁、超时获取锁等，见下表：

特性	描述
尝试非阻塞地获取锁	当前线程尝试获取锁，如果这个时刻锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁
能被中断地获取锁	获取到锁的线程能够响应中断（而synchronized则不会响应中断操作）
超时获取锁	在指定的截止时间之前获取锁，如果在截止时间到了仍无法获取锁，则返回。

Lock接口具体的方法及释义：

public interface Lock {

    /**
     * 获取锁
     * 
     * 如果当前线程无法获取到锁（可能其他线程正在持有锁），则当前线程就会休眠，直到获取到锁
     */
    void lock();

    /**
     * 可中断地获取锁
     * 
     * 如果如果当前线程无法获取到锁（可能其他线程正在持有锁），则当前线程就会休眠，
     * 直到发生下面两种情况的任意一种：
     * ①获取到了锁
     * ②被其他线程中断
     */
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    
    /**
     * 尝试非阻塞地获取锁
     * 
     * lock()和lockInterruptibly()在获取不到锁的时候，都会阻塞当前线程，直到获取到锁
     * 而该方法则不会阻塞线程，能立即获取到锁则返回true，获取不到则立即返回false
     * 
     * 该方法的常用方式如下：
     * 
     * Lock lock = ...;
     * if (lock.tryLock()) {
     * try {
     * // manipulate protected state
     * } finally {
     * lock.unlock();
     * }
     * } else {
     * // perform alternative actions
     * }}
     * 
     * 这种使用方式，可以保证只在获取到锁的时候才去释放锁
     */
    boolean tryLock();

    /**
     * 超时获取锁
     * 
     * 当前线程在以下三种情况下会返回：
     * ①当前线程在超时时间内获取到了锁，返回true
     * ②当前线程在超时时间内被中断，返回false（即该方法可以响应其他线程对该线程的中断操作）
     * ③超时时间结束，没有获取到锁，返回false
     */
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();


    /**
     * 获取与该锁绑定的Condition
     * 
     * 当前线程只有在获得了锁，才能调用Condition的wait()方法（表示我已经到了某一条件），
     * 调用Condition的wait()方法之后，当前线程会释放锁
     */
    Condition newCondition();
}

包java.util.concurrent.locks的类图

java.util.concurrent.locks中的类和接口.png

其中：
AbstractOwnableSynchronizer、AbstractQueuedLongSynchronizer、AbstractQueuedSynchronizer是同步器，是锁实现相关的内容。
ReentrantLock(重入锁)和ReentrantReadWriteLock（重入读写锁）是具体的实现类。
LockSupport是一个工具类，提供了基本的线程阻塞和唤醒功能。
Condition是实现线程间实现多条件等待/通知模式用到的。

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同步器的实现原理

TODO

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重入锁：ReentrantLock

重入锁，顾名思义，就是支持重新进入的锁：即某线程在获取到锁之后，可以再次获取锁而不会被阻塞。
ReentrantLock类是通过组合自定义同步器来来实现这种重入特性的，除此之外，该类还支持公平地获取锁（获取锁的顺序与请求锁的顺序是相同的，等待时间最长的线程最优先获取到锁），还支持绑定多个Condition。（synchronized关键字隐式地支持重进入，比如synchronized修饰的递归方法，在方法执行时，执行线程在获取了锁之后仍能连续多次地获得该锁，不会出现阻塞自己的情况）。

ReentrantLock内部重进入的实现（非公平获取锁的情况）代码如下：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
      final Thread current = Thread.currentThread();
      int c = getState();
      if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        //如果是当前持有锁的线程再次获取锁，则将同步值进行增加并返回true
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
}

ReentrantLock公平锁的内部实现代码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
                compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

与非公平获取锁的方法nonfairTryAcquire(int acquires)相比，多了一个hasQueuedPredecessors()判断：同步队列中当前节点（当前想要获取锁的线程）是否有前驱节点，如果该方法返回true，则表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，因此需要前驱线程获取并释放锁之后才能继续获取锁。

公平锁保证了锁的获取按照FIFO原则，而代价是进行大量的线程切换；
非公平锁虽然可能造成线程“饥饿”（即某线程可能需要等很久才得到锁），但线程切换极少，可以保证更大的吞吐量。

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读写锁：ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock在在同一时刻，只允许一个线程进行访问（无论读还是写）。而读写锁是指：在同一时刻，允许多个线程进行读操作，而写操作则会阻塞其他所有的线程（无论是读还是写，都会被阻塞）。读写锁维护了一对锁：读锁和写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性能相比一般的排他锁有了很大的提升。

Java中读写锁的实现类是ReentrantReadWriteLock，它支持：①重进入；②公平性选择；③锁降级：写锁可以降级为读锁，其提供了一些便于外界监控其内部状态的方法，如下：

int getReadLockCount()
返回当前读锁被获取的次数
注意：该次数并不等于获取读锁的线程数，
因为同一线程可以连续获得多次读锁，获取一次，返回值就加1，
比如，仅一个线程，它连续获得了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1，但该方法返回n

int getReadHoldCount()
返回当前前程获取读锁的次数

boolean isWriteLock()
判断读锁是否被获取

int getWriteHoldCount()
返回当前写锁被获取的次数

使用举例：

public class Cache{

    //非线程安全的HashMap
    private static Map map = new HashMap<>();
    //读写锁
    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    //读锁
    private static Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    //写锁
    private static Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    /**
     * 获取key对应的value
     * 
     * 使用读锁，使得并发访问该方法时不会被阻塞
     */
    public static final Object get(String key){
        readLock.lock();
        try{
            return map.get(key);
        }finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 设置key对应的value
     * 
     * 当有线程对map进行put操作时，使用写锁，阻塞其他线程的读、写操作，
     * 只有在写锁被释放后，其他读写操作才能继续
     */
    public static Object put(String key, Object value){
        writeLock.lock();
        try {
            return map.put(key, value);
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 清空map
     *
     * 当有线程对map进行清空操作时，使用写锁，阻塞其他线程的读、写操作，
     * 只有在写锁被释放后，其他读写操作才能继续
     */
    public static void clear(){
        writeLock.lock();
        try {
            map.clear();
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

TODO:读写锁的实现原理

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LockSupport工具类

LockSupport定义了一组公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能，是构建同步组件的基础工具，它主要有两类方法：
①以park开头的方法：阻塞当前线程
②以unpark开头的方法：唤醒被阻塞的线程

void park()
阻塞当前线程，只有当前线程被中断或其他线程调用unpark(Thread thread)，才能从park()方法返回

void parkNanos(long nanos)
阻塞当前线程，最长不超过nanos纳秒，返回条件在park()的基础上增加了超时返回

void parkUntil(long deadline)
阻塞当前线程，直到deadline这个时间点（从1970年开始到deadline时间的毫秒数）

void unpark(Thread thread)
唤醒处于阻塞状态的thread线程

在JDK1.6中，该类增加了void park(Object blocker)、void parkNanos(Object blocker, long nanos)、void parkUntil(Object blocker, long deadline)方法，相比之前的park方法，多了一个blocker对象，该对象用来标识当前线程在等待的对象（阻塞对象），主要用来问题排查和系统监控（对线程dump时，可以提供阻塞对象的信息），可以用来代替原有的park方法。

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Condition接口

任意一个Java对象都有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上）：wait()、wait(long timeout)、notify()、notifyAll()，这些方法与sychronized配合使用，可以实现等待/通知模式。
Condition接口也提供了类似的监视器方法，与Lock配合使用，可以实现等待/通知模式。

两者的区别如下：

对比项	Object Monitor Methods	Condition
前置条件	获取对象的锁	调用Lock.lock()获取锁→调用Lock.newCondition()获取Condition对象
调用方式	直接调用，如object.wait()	直接调用，如condition.await()
等待队列个数	1个	多个
当前线程释放锁并进入等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间点	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的全部线程	支持	支持

Condition中的方法如下：（一般会将Condition对象作为成员变量）
说明：当前线程调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等候，当其他线程调用signal()方法通知当前线程后，当前线程才从await()方法中返回，并且在返回前已经获取了锁（re-acquire）。

public interface Condition {
    
    /**
     * 当前线程进入等待状态直到被通知（signalled）或中断(interrupted)
     * 
     * 如果当前线程从该方法返回，则表明当前线程已经获取了Condition对象所对应的锁
     * 
     * @throws InterruptedException
     */
    void await() throws InterruptedException;

    /**
     * 与await()不同是：该方法对中断操作不敏感
     * 
     * 如果当前线程在等待的过程中被中断，当前线程仍会继续等待，直到被通知(signalled)，
     * 但当前线程会保留线程的中断状态值
     * 
     */
    void awaitUninterruptibly();
    
    /**
     * 当前线程进入等待状态，直到被通知或被中断或超时
     * 
     * 返回值表示剩余时间，
     * 如果当前线程在nanosTimeout纳秒之前被唤醒，那么返回值就是（nanosTimeout-实际耗时），
     * 如果返回值是0或者负数，则表示等待已超时
     * 
     */
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    /**
     * 该方法等价于awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
     */
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    /**
     * 当前线程进入等待状态，直到被通知或被中断或到达时间点deadline
     * 
     * 如果在没有到达截止时间就被通知，返回true
     * 如果在到了截止时间仍未被通知，返回false
     */
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    
    /**
     * 唤醒一个等待在Condition上的线程
     * 该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁
     */
    void signal();

    /**
     * 唤醒所有等待在Condition上的线程
     * 每个线程从等待方法返回前必须获取Condition相关联的锁
     */
    void signalAll();
}

使用Condition实现一个有界阻塞队列的例子：当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞当前线程，直到队列中有新增元素；当队列已满时，队列的插入操作就会阻塞插入线程，直到队列中出现空位。（其实这个例子就是简化版的ArrayBlockingQueue）

class BoundedBlockingQueue {
    //使用数组维护队列
    private Object[] queue;
    //当前数组中的元素个数
    private int count = 0;
    //当前添加元素到数组的位置
    private int addIndex = 0;
    //当前移除元素在数组中的位置
    private int removeIndex = 0;

    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notEmptyCondition = lock.newCondition();
    private Condition notFullCondition = lock.newCondition();


    private BoundedBlockingQueue() {
    }

    public BoundedBlockingQueue(int capacity) {
        queue = new Object[capacity];
    }

    public void put(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();//获得锁，保证内部数组修改的可见性和排他性
        try {
            //使用while，而非if：防止过早或意外的通知，
            //加入当前线程释放了锁进入等待状态，然后其他线程进行了signal，
            //则当前线程会从await()方法中返回，再次判断count == queue.length
            //todo：哪些情况下的过早或意外？？？
            while (count == queue.length) {
                notFullCondition.await();//释放锁，等待队列不满，即等待队列出现空位
            }
            queue[addIndex] = t;
            addIndex++;
            if (addIndex == queue.length) {
                addIndex = 0;
            }
            count++;
            notEmptyCondition.signal();
        } finally {
            //确保会释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmptyCondition.await();//释放锁，等待队列不为空，即等待队列中至少有一个元素
            }
            Object x = queue[removeIndex];
            removeIndex++;
            if (removeIndex == queue.length) {
                removeIndex = 0;
            }
            count--;
            notFullCondition.signal();//通知那些等待队列非空的线程，可以向队列中插入元素了
            return (T) x;
        } finally {
            //确保会释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

TODO:Condition的实现分析

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参考

大部分来自《Java并发编程的艺术》，部分参考JDK中的注释说明。