JDK1.8并发之synchronized和Lock
什么是线程安全？
线程安全是指保证多线程环境下共享的、可修改的状态的正确性。
保证线程安全的两个办法：
- 封装：将对象的内部状态隐藏、保护起来。
- 不可变：final变量产生了某种程度地不可变（immutable）效果，可以用于保护只读数据。
线程安全需要保证几个基本特性：
- 原子性：相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
- 可见性：一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile就是负责保证可见性的。
- 有序性：保证线程内串行语义，避免指令重排。
synchronized
关键字synchronized可以用来修饰方法和代码块，修饰方法也就相当于将方法放在代码块中。synchronized修饰实例方法时（对象锁），相当于synchronized (this) {}。修饰静态方法时（类锁，也叫静态锁），相当于synchronized (ClassName.class) {}。
对象有锁计数器，一个任务可以多次获得对象的锁，每获取一次，计数加1，每释放一次，计数减1，当计数为0时，其他任务才能获取该对象的锁（可重入性）。
Lock
java.util.concurrent.locks.Lock
被synchronized修饰的代码块，如果有一个线程获得了对应的锁，其他线程只能一直等待，直到锁被释放。原线程释放锁的情况有：
- 执行完synchronized修饰的代码块，然后释放锁。
- 线程执行发生异常，JVM会让线程自动释放锁。
其他时候，如果代码块执行时间很长，或者等待IO、sleep等发生阻塞，一直没有释放锁，其他线程只能一直等待。
本文学习完毕之后，你将能够理解Lock的优势包括：
- 可以让尝试获得锁的其他线程只等待一定时间。
- 读操作和写操作、写操作和写操作会发生冲突，但是读操作和读操作不发生冲突，Lock就可以允许这种可以同时进行的操作。（读写锁）
- Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。
- 当竞争资源非常激烈时，Lock的性能会更好。
- sychronized是不可中断锁，Lock可中断。（可中断锁）
- Lock可设置为公平锁，按照请求锁的顺序分配锁。（公平锁）
- 可以和条件变量配合使用，对共享数据的多种状态进行监控。
但是
- Lock对象必须被显式地创建、锁定和释放。
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void lockedMethod() {
lock.lock();;
try{
// do something
return; // return必须在try子句中，确保unlock不会过早发生
} finally {
lock.unlock();
}
}Lock接口
package java.util.concurrent.locks;
public interface Lock {
void lock();
// 尝试获取锁，如果失败，等待的过程中可以响应中断（threadWait.interrupt()）
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 尝试获取锁，如果获取成功，就马上返回true，否则（锁已经被其他线程获取）马上返回false
boolean tryLock();
// 尝试获取锁，如果获取失败，会等待unit时间，等待期间还拿不到锁就马上返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}ReentrantLock，重入锁，Lock接口的实现类，提供了更多的方法。
isFair()，判断锁是否是公平锁isLocked()，判断锁是否被任何线程获取了isHeldByCurrentThread()，判断锁是否被当前线程获取了hasQueuedThreads()，判断是否有线程在等待该锁
ReadWriteLock接口
public interface ReadWriteLock {
// 获取读锁
Lock readLock();
// 获取写锁
Lock writeLock();
}ReentrantReadWriteLock，重入读写锁，实现了ReadWriteLock接口。
- 如果一个线程已经占用了读锁，其他线程可以马上获得读锁，但需要等待才能获取写锁。
- 如果一个线程已经占用了写锁，其他线程要获取读锁或写锁都需要等待。
private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Main main = new Main();
new Thread(() -> main.testRWL(Thread.currentThread())).start();
new Thread(() -> main.testRWL(Thread.currentThread())).start();
// 输出的结果是两个thread交替输出“正在读”
}
public void testRWL(Thread thread) {
rwl.readLock().lock();
try {
long finish = System.currentTimeMillis() + 1;
while (System.currentTimeMillis() <= finish) {
System.out.println(thread.getName() + "正在读");
}
System.out.println(thread.getName() + "读结束");
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}Lock和条件变量
Condition将Object类的wait、notify、notifyAll等操作转化为相应的条件对象操作await、signal、signalAll，将复杂而晦涩的同步操作转变为直观可控的对象行为。看JDK源码注释中的一个例子：
class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition notFull = lock.newCondition(); // 非满条件对象
final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 非空条件对象
final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
// 当数组已满，等待非满条件
while (count == items.length)
notFull.await();
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
// 添加元素，就发送一个非空条件信号
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
// 当数组已空，等待非空条件
while (count == 0)
notEmpty.await();
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
// 添加元素，就发送一个非满条件信号
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}对象o的wait方法是让执行线程放弃o的锁并阻塞，而Condition对象的await方法放弃的是Lock锁，因此，一个Lock锁可以同时调整多个条件对象的状态，而synchronized锁只能调整锁隶属的对象的状态。
锁的名词解释
重入锁
重入锁的分配机制是：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。同一个线程获得锁之后，在其他方法中，不需要再次申请就可以获取锁。synchronized是重入锁，它锁定的是实例的this对象或者静态类的类对象，当锁方法A中又调用同类中的锁方法B时，锁计数增加1，而不用重新申请锁。加锁的ReentrantLock是同一个对象时，Lock锁也满足重入性。
可中断锁
线程A如果在等待sychronized的锁，那么其他线程中用A.interrupt()来中断线程A时，A是不会响应的。这种就是不可中断锁。ReentrantLock使用lockInterrupt方法加锁时，此线程是可中断锁。
公平锁
如果同时有多个线程在等待一个锁时，当锁被释放时，等待时间最长的线程（FIFO）会获得该锁。满足这个条件的就是公平锁。非公平锁无法保证按请求顺序来分配锁。synchronized是非公平锁。ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock默认是非公平锁，但是在构造时可以设置为公平锁。
public ReentrantLock() { // 默认非公平锁
sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) { // true表示公平锁
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}读写锁
使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。比如ReadWriteLock接口就是读写锁。
参考资料
- Java并发编程：Lock
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