java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁

java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁

2019-11-06 11:10:53 爱我你会火_ 阅读数 3更多

分类专栏: Java高并发

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java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁

原创: 路人甲Java 路人甲Java 7月18日

java高并发系列第12篇文章

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:

  1. 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

  2. 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:

  1. 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

  2. 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

  3. 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

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. /**

  4. * 微信公众号:路人甲Java,专注于java技术分享(带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等),喜欢请关注!

  5. */

  6. public class Demo2 {

  7. private static int num = 0;

  8.  
  9. private static synchronized void add() {

  10. num++;

  11. }

  12.  
  13. public static class T extends Thread {

  14. @Override

  15. public void run() {

  16. for (int i = 0; i < 10000; i++) {

  17. Demo2.add();

  18. }

  19. }

  20. }

  21.  
  22. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  23. T t1 = new T();

  24. T t2 = new T();

  25. T t3 = new T();

  26. t1.start();

  27. t2.start();

  28. t3.start();

  29. t1.join();

  30. t2.join();

  31. t3.join();

  32. System.out.println(Demo2.num);

  33. }

  34. }

ReentrantLock方式:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  4.  
  5. /**

  6. * 微信公众号:路人甲Java,专注于java技术分享(带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等),喜欢请关注!

  7. */

  8. public class Demo3 {

  9. private static int num = 0;

  10. private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  11.  
  12. private static void add() {

  13. lock.lock();

  14. try {

  15. num++;

  16. } finally {

  17. lock.unlock();

  18. }

  19. }

  20.  
  21. public static class T extends Thread {

  22. @Override

  23. public void run() {

  24. for (int i = 0; i < 10000; i++) {

  25. Demo3.add();

  26. }

  27. }

  28. }

  29.  
  30. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  31. T t1 = new T();

  32. T t2 = new T();

  33. T t3 = new T();

  34. t1.start();

  35. t2.start();

  36. t3.start();

  37. t1.join();

  38. t2.join();

  39. t3.join();

  40. System.out.println(Demo3.num);

  41. }

  42. }

ReentrantLock的使用过程:

  1. 创建锁:ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  2. 获取锁:lock.lock()

  3. 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:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  4.  
  5. /**

  6. * 微信公众号:路人甲Java,专注于java技术分享(带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等),喜欢请关注!

  7. */

  8. public class Demo4 {

  9. private static int num = 0;

  10. private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

  11.  
  12. private static void add() {

  13. lock.lock();

  14. lock.lock();

  15. try {

  16. num++;

  17. } finally {

  18. lock.unlock();

  19. lock.unlock();

  20. }

  21. }

  22.  
  23. public static class T extends Thread {

  24. @Override

  25. public void run() {

  26. for (int i = 0; i < 10000; i++) {

  27. Demo4.add();

  28. }

  29. }

  30. }

  31.  
  32. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  33. T t1 = new T();

  34. T t2 = new T();

  35. T t3 = new T();

  36. t1.start();

  37. t2.start();

  38. t3.start();

  39. t1.join();

  40. t2.join();

  41. t3.join();

  42. System.out.println(Demo4.num);

  43. }

  44. }

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:

  1. 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删除一个试试,上面代码运行将无法结束

  2. 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允许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:

 
  1. public ReentrantLock(){

  2. sync = new NonfairSync();

  3. }

  4. public ReentrantLock(boolean fair){

  5. sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

  6. }

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:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  4.  
  5. /**

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  7. */

  8. public class Demo5 {

  9. private static int num = 0;

  10. private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

  11.  
  12. public static class T extends Thread {

  13. public T(String name) {

  14. super(name);

  15. }

  16.  
  17. @Override

  18. public void run() {

  19. for (int i = 0; i < 5; i++) {

  20. fairLock.lock();

  21. try {

  22. System.out.println(this.getName() + "获得锁!");

  23. } finally {

  24. fairLock.unlock();

  25. }

  26. }

  27. }

  28. }

  29.  
  30. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  31. T t1 = new T("t1");

  32. T t2 = new T("t2");

  33. T t3 = new T("t3");

  34. t1.start();

  35. t2.start();

  36. t3.start();

  37. t1.join();

  38. t2.join();

  39. t3.join();

  40. }

  41. }

运行结果输出:

 
  1. t1获得锁!

  2. t2获得锁!

  3. t3获得锁!

  4. t1获得锁!

  5. t2获得锁!

  6. t3获得锁!

  7. t1获得锁!

  8. t2获得锁!

  9. t3获得锁!

  10. t1获得锁!

  11. t2获得锁!

  12. t3获得锁!

  13. t1获得锁!

  14. t2获得锁!

  15. 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:

 
  1. t1获得锁!

  2. t3获得锁!

  3. t3获得锁!

  4. t3获得锁!

  5. t3获得锁!

  6. t1获得锁!

  7. t1获得锁!

  8. t1获得锁!

  9. t1获得锁!

  10. t2获得锁!

  11. t2获得锁!

  12. t2获得锁!

  13. t2获得锁!

  14. t2获得锁!

  15. 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:

  1. 要么获取到锁然后继续后面的操作

  2. 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,那么你一定打道回府。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:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.TimeUnit;

  4. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  5.  
  6. /**

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  8. */

  9. public class Demo6 {

  10. private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);

  11. private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(false);

  12.  
  13. public static class T extends Thread {

  14. int lock;

  15.  
  16. public T(String name, int lock) {

  17. super(name);

  18. this.lock = lock;

  19. }

  20.  
  21. @Override

  22. public void run() {

  23. try {

  24. if (this.lock == 1) {

  25. lock1.lockInterruptibly();

  26. TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

  27. lock2.lockInterruptibly();

  28. } else {

  29. lock2.lockInterruptibly();

  30. TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

  31. lock1.lockInterruptibly();

  32. }

  33. } catch (InterruptedException e) {

  34. System.out.println("中断标志:" + this.isInterrupted());

  35. e.printStackTrace();

  36. } finally {

  37. if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {

  38. lock1.unlock();

  39. }

  40. if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {

  41. lock2.unlock();

  42. }

  43. }

  44. }

  45. }

  46.  
  47. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  48. T t1 = new T("t1", 1);

  49. T t2 = new T("t2", 2);

  50. t1.start();

  51. t2.start();

  52. }

  53. }

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。

java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁_第1张图片

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:

 
  1. T t1 = new T("t1", 1);

  2. T t2 = new T("t2", 2);

  3. t1.start();

  4. t2.start();

  5. TimeUnit.SECONDS.sleep(5);

  6. 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:

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

java高并发系列 - 第12天JUC:ReentrantLock重入锁_第2张图片

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:

  1. 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

  2. 线程调用interrupt()之后,线程的中断标志会被置为true

  3. 触发InterruptedException异常之后,线程的中断标志有会被清空,即置为false

  4. 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锁。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:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.TimeUnit;

  4. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  5.  
  6. /**

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  8. */

  9. public class Demo8 {

  10. private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);

  11.  
  12. public static class T extends Thread {

  13. public T(String name) {

  14. super(name);

  15. }

  16.  
  17. @Override

  18. public void run() {

  19. try {

  20. 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

  21. if (lock1.tryLock()) {

  22. System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!"); //获取到锁之后,休眠5秒

  23. TimeUnit.SECONDS.sleep(5);

  24. } else {

  25. System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");

  26. }

  27. } catch (InterruptedException e) {

  28. e.printStackTrace();

  29. } finally {

  30. if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {

  31. lock1.unlock();

  32. }

  33. }

  34. }

  35. }

  36.  
  37. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  38. T t1 = new T("t1");

  39. T t2 = new T("t2");

  40. t1.start();

  41. t2.start();

  42. }

  43. }

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:

 
  1. 1563356291081:t2开始获取锁!

  2. 1563356291081:t2获取到了锁!

  3. 1563356291081:t1开始获取锁!

  4. 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:

 
  1. package com.itsoku.chat06;

  2.  
  3. import java.util.concurrent.TimeUnit;

  4. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

  5.  
  6. /**

  7. * 微信公众号:路人甲Java,专注于java技术分享(带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等),喜欢请关注!

  8. */

  9. public class Demo7 {

  10. private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);

  11.  
  12. public static class T extends Thread {

  13. public T(String name) {

  14. super(name);

  15. }

  16.  
  17. @Override

  18. public void run() {

  19. try {

  20. 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

  21. if (lock1.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {

  22. System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!"); //获取到锁之后,休眠5秒

  23. TimeUnit.SECONDS.sleep(5);

  24. } else {

  25. System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");

  26. }

  27. } catch (InterruptedException e) {

  28. e.printStackTrace();

  29. } finally {

  30. if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {

  31. lock1.unlock();

  32. }

  33. }

  34. }

  35. }

  36.  
  37. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

  38. T t1 = new T("t1");

  39. T t2 = new T("t2");

  40. t1.start();

  41. t2.start();

  42. }

  43. }

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:

 
  1. 1563355512901:t2开始获取锁!

  2. 1563355512901:t1开始获取锁!

  3. 1563355512902:t2获取到了锁!

  4. 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:

  1. 都会返回boolean值,结果表示获取锁是否成功

  2. 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

  3. 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

  1. 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种方法对比

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

  1. ReentrantLock可以实现公平锁和非公平锁

  2. ReentrantLock默认实现的是非公平锁

  3. 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

  4. 释放锁的操作必须放在finally中执行

  5. 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

  6. 关于 InterruptedException异常说一下,看到方法声明上带有 throwsInterruptedException,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

  7. 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

  8. 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

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