java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁
本篇文章开始将juc中常用的一些类，估计会有十来篇。
synchronized的局限性
synchronized是java内置的关键字，它提供了一种独占的加锁方式。synchronized的获取和释放锁由jvm实现，用户不需要显示的释放锁，非常方便，然而synchronized也有一定的局限性，例如：
- 当线程尝试获取锁的时候，如果获取不到锁会一直阻塞，这个阻塞的过程，用户无法控制
- 如果获取锁的线程进入休眠或者阻塞，除非当前线程异常，否则其他线程尝试获取锁必须一直等待
JDK1.5之后发布，加入了Doug Lea实现的java.util.concurrent包。包内提供了Lock类，用来提供更多扩展的加锁功能。Lock弥补了synchronized的局限，提供了更加细粒度的加锁功能。
ReentrantLock
ReentrantLock是Lock的默认实现，在聊ReentranLock之前，我们需要先弄清楚一些概念：
- 可重入锁：可重入锁是指同一个线程可以多次获得同一把锁；ReentrantLock和关键字Synchronized都是可重入锁
- 可中断锁：可中断锁时只线程在获取锁的过程中，是否可以相应线程中断操作。synchronized是不可中断的，ReentrantLock是可中断的
- 公平锁和非公平锁：公平锁是指多个线程尝试获取同一把锁的时候，获取锁的顺序按照线程到达的先后顺序获取，而不是随机插队的方式获取。synchronized是非公平锁，而ReentrantLock是两种都可以实现，不过默认是非公平锁
ReentrantLock基本使用
我们使用3个线程来对一个共享变量++操作，先使用synchronized实现，然后使用ReentrantLock实现。
synchronized方式：
package com.itsoku.chat06;
/**
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*/
public class Demo2 {
private static int num = 0;
private static synchronized void add() {
num++;
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo2.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo2.num);
}
}ReentrantLock方式：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo3 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static void add() {
lock.lock();
try {
num++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo3.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo3.num);
}
}ReentrantLock的使用过程：
- 创建锁：ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 获取锁：lock.lock()
- 释放锁：lock.unlock();
对比上面的代码，与关键字synchronized相比，ReentrantLock锁有明显的操作过程，开发人员必须手动的指定何时加锁，何时释放锁，正是因为这样手动控制，ReentrantLock对逻辑控制的灵活度要远远胜于关键字synchronized，上面代码需要注意lock.unlock()一定要放在finally中，否则，若程序出现了异常，锁没有释放，那么其他线程就再也没有机会获取这个锁了。
ReentrantLock是可重入锁
来验证一下ReentrantLock是可重入锁，实例代码：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo4 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static void add() {
lock.lock();
lock.lock();
try {
num++;
} finally {
lock.unlock();
lock.unlock();
}
}
public static class T extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Demo4.add();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T();
T t2 = new T();
T t3 = new T();
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
System.out.println(Demo4.num);
}
}上面代码中add()方法中，当一个线程进入的时候，会执行2次获取锁的操作，运行程序可以正常结束，并输出和期望值一样的30000，假如ReentrantLock是不可重入的锁，那么同一个线程第2次获取锁的时候由于前面的锁还未释放而导致死锁，程序是无法正常结束的。ReentrantLock命名也挺好的Re entrant Lock，和其名字一样，可重入锁。
代码中还有几点需要注意：
- lock()方法和unlock()方法需要成对出现，锁了几次，也要释放几次，否则后面的线程无法获取锁了；可以将add中的unlock删除一个事实，上面代码运行将无法结束
- unlock()方法放在finally中执行，保证不管程序是否有异常，锁必定会释放
ReentrantLock实现公平锁
在大多数情况下，锁的申请都是非公平的，也就是说，线程1首先请求锁A，接着线程2也请求了锁A。那么当锁A可用时，是线程1可获得锁还是线程2可获得锁呢？这是不一定的，系统只是会从这个锁的等待队列中随机挑选一个，因此不能保证其公平性。这就好比买票不排队，大家都围在售票窗口前，售票员忙的焦头烂额，也顾及不上谁先谁后，随便找个人出票就完事了，最终导致的结果是，有些人可能一直买不到票。而公平锁，则不是这样，它会按照到达的先后顺序获得资源。公平锁的一大特点是：它不会产生饥饿现象，只要你排队，最终还是可以等到资源的；synchronized关键字默认是有jvm内部实现控制的，是非公平锁。而ReentrantLock运行开发者自己设置锁的公平性。
看一下jdk中ReentrantLock的源码，2个构造方法：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}默认构造方法创建的是非公平锁。
第2个构造方法，有个fair参数，当fair为true的时候创建的是公平锁，公平锁看起来很不错，不过要实现公平锁，系统内部肯定需要维护一个有序队列，因此公平锁的实现成本比较高，性能相对于非公平锁来说相对低一些。因此，在默认情况下，锁是非公平的，如果没有特别要求，则不建议使用公平锁。
公平锁和非公平锁在程序调度上是很不一样，来一个公平锁示例看一下：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo5 {
private static int num = 0;
private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
fairLock.lock();
try {
System.out.println(this.getName() + "获得锁!");
} finally {
fairLock.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
T t3 = new T("t3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t1.join();
t2.join();
t3.join();
}
}运行结果输出：
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!看一下输出的结果，锁时按照先后顺序获得的。
修改一下上面代码，改为非公平锁试试，如下：
ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(false);运行结果如下：
t1获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!可以看到t3可能会连续获得锁，结果是比较随机的，不公平的。
ReentrantLock获取锁的过程是可中断的
对于synchronized关键字，如果一个线程在等待获取锁，最终只有2种结果：
- 要么获取到锁然后继续后面的操作
- 要么一直等待，直到其他线程释放锁为止
而ReentrantLock提供了另外一种可能，就是在等的获取锁的过程中（发起获取锁请求到还未获取到锁这段时间内）是可以被中断的，也就是说在等待锁的过程中，程序可以根据需要取消获取锁的请求。有些使用这个操作是非常有必要的。比如：你和好朋友越好一起去打球，如果你等了半小时朋友还没到，突然你接到一个电话，朋友由于突发状况，不能来了，那么你一定达到回府。中断操作正是提供了一套类似的机制，如果一个线程正在等待获取锁，那么它依然可以收到一个通知，被告知无需等待，可以停止工作了。
示例代码：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo6 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
int lock;
public T(String name, int lock) {
super(name);
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
if (this.lock == 1) {
lock1.lockInterruptibly();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock2.lockInterruptibly();
} else {
lock2.lockInterruptibly();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
lock1.lockInterruptibly();
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("中断标志:" + this.isInterrupted());
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
lock2.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);
t1.start();
t2.start();
}
}先运行一下上面代码，发现程序无法结束，使用jstack查看线程堆栈信息，发现2个线程死锁了。
Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c20, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
which is held by "t1"
"t1":
waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c50, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
which is held by "t2"lock1被线程t1占用，lock2倍线程t2占用，线程t1在等待获取lock2，线程t2在等待获取lock1，都在相互等待获取对方持有的锁，最终产生了死锁，如果是在synchronized关键字情况下发生了死锁现象，程序是无法结束的。
我们队上面代码改造一下，线程t2一直无法获取到lock1，那么等待5秒之后，我们中断获取锁的操作。主要修改一下main方法，如下：
T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);
t1.start();
t2.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
t2.interrupt();新增了2行代码TimeUnit.SECONDS.sleep(5);t2.interrupt();，程序可以结束了，运行结果：
java.lang.InterruptedException
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:898)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1222)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
at com.itsoku.chat06.Demo6$T.run(Demo6.java:31)
中断标志:false从上面信息中可以看出，代码的31行触发了异常，中断标志输出：false
t2在31行一直获取不到lock1的锁，主线程中等待了5秒之后，t2线程调用了interrupt()方法，将线程的中断标志置为true，此时31行会触发InterruptedException异常，然后线程t2可以继续向下执行，释放了lock2的锁，然后线程t1可以正常获取锁，程序得以继续进行。线程发送中断信号触发InterruptedException异常之后，中断标志将被清空。
关于获取锁的过程中被中断，注意几点:
- ReentrankLock中必须使用实例方法
lockInterruptibly()获取锁时，在线程调用interrupt()方法之后，才会引发InterruptedException异常 - 线程调用interrupt()之后，线程的中断标志会被置为true
- 触发InterruptedException异常之后，线程的中断标志有会被清空，即置为false
- 所以当线程调用interrupt()引发InterruptedException异常，中断标志的变化是:false->true->false
ReentrantLock锁申请等待限时
申请锁等待限时是什么意思？一般情况下，获取锁的时间我们是不知道的，synchronized关键字获取锁的过程中，只能等待其他线程把锁释放之后才能够有机会获取到所。所以获取锁的时间有长有短。如果获取锁的时间能够设置超时时间，那就非常好了。
ReentrantLock刚好提供了这样功能，给我们提供了获取锁限时等待的方法tryLock()，可以选择传入时间参数，表示等待指定的时间，无参则表示立即返回锁申请的结果：true表示获取锁成功，false表示获取锁失败。
tryLock无参方法
看一下源码中tryLock方法：
public boolean tryLock()返回boolean类型的值，此方法会立即返回，结果表示获取锁是否成功，示例：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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*/
public class Demo8 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "开始获取锁!");
//获取锁超时时间设置为3秒，3秒内是否能否获取锁都会返回
if (lock1.tryLock()) {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!");
//获取到锁之后，休眠5秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} else {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}代码中获取锁成功之后，休眠5秒，会导致另外一个线程获取锁失败，运行代码，输出：
1563356291081:t2开始获取锁!
1563356291081:t2获取到了锁!
1563356291081:t1开始获取锁!
1563356291081:t1未能获取到锁!可以看到t2获取成功，t1获取失败了，tryLock()是立即响应的，中间不会有阻塞。
tryLock有参方法
可以明确设置获取锁的超时时间，该方法签名：
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException该方法在指定的时间内不管是否可以获取锁，都会返回结果，返回true，表示获取锁成功，返回false表示获取失败。此方法由2个参数，第一个参数是时间类型，是一个枚举，可以表示时、分、秒、毫秒等待，使用比较方便，第1个参数表示在时间类型上的时间长短。此方法在执行的过程中，如果调用了线程的中断interrupt()方法，会触发InterruptedException异常。
示例：
package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 微信公众号：javacode2018，获取年薪50万课程
*/
public class Demo7 {
private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
public static class T extends Thread {
public T(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "开始获取锁!");
//获取锁超时时间设置为3秒，3秒内是否能否获取锁都会返回
if (lock1.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!");
//获取到锁之后，休眠5秒
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} else {
System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
T t1 = new T("t1");
T t2 = new T("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}程序中调用了ReentrantLock的实例方法tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)，表示获取锁的超时时间是3秒，3秒后不管是否能否获取锁，该方法都会有返回值，获取到锁之后，内部休眠了5秒，会导致另外一个线程获取锁失败。
运行程序，输出：
1563355512901:t2开始获取锁!
1563355512901:t1开始获取锁!
1563355512902:t2获取到了锁!
1563355515904:t1未能获取到锁!输出结果中分析，t2获取到锁了，然后休眠了5秒，t1获取锁失败，t1打印了2条信息，时间相差3秒左右。
关于tryLock()方法和tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，说明一下：
- 都会返回boolean值，结果表示获取锁是否成功
- tryLock()方法，不管是否获取成功，都会立即返回；而有参的tryLock方法会尝试在指定的时间内去获取锁，中间会阻塞的现象，在指定的时间之后会不管是否能够获取锁都会返回结果
- tryLock()方法不会响应线程的中断方法；而有参的tryLock方法会响应线程的中断方法，而出发
InterruptedException异常，这个从2个方法的声明上可以可以看出来
ReentrantLock其他常用的方法
- isHeldByCurrentThread：实例方法，判断当前线程是否持有ReentrantLock的锁，上面代码中有使用过。
获取锁的4中方法对比
| 获取锁的方法 | 是否立即响应(不会阻塞) | 是否响应中断 |
|---|---|---|
| lock() | × | × |
| lockInterruptibly() | × | √ |
| tryLock() | √ | × |
| tryLock(long timeout, TimeUnit unit) | × | √ |
总结
- ReentrantLock可以实现公平锁和非公平锁
- ReentrantLock默认实现的是非公平锁
- ReentrantLock的获取锁和释放锁必须成对出现，锁了几次，也要释放几次
- 释放锁的操作必须放在finally中执行
- lockInterruptibly()实例方法可以相应线程的中断方法，调用线程的interrupt()方法时，lockInterruptibly()方法会触发
InterruptedException异常 - 关于
InterruptedException异常说一下，看到方法声明上带有throws InterruptedException，表示该方法可以相应线程中断，调用线程的interrupt()方法时，这些方法会触发InterruptedException异常，触发InterruptedException时，线程的中断中断状态会被清除。所以如果程序由于调用interrupt()方法而触发InterruptedException异常，线程的标志由默认的false变为ture，然后又变为false - 实例方法tryLock()获会尝试获取锁，会立即返回，返回值表示是否获取成功
- 实例方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit)会在指定的时间内尝试获取锁，指定的时间内是否能够获取锁，都会返回，返回值表示是否获取锁成功，该方法会响应线程的中断
java高并发系列连载中，总计估计会有四五十篇文章，可以关注公众号：javacode2018，获取最新文章。
