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. /**

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 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。

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

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. /**

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 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