2020版Java并发和多线程教程（二十一）：Java中的锁（普通锁，可重入锁，公平锁）
翻译：GentlemanTsao， 2020-06-05
文章目录
- 简单的锁
- 锁的可重入性
- 锁的公平性
- 从finally子句中调用unlock（）
锁是一种类似于同步块的线程同步机制，但是锁比Java的同步块更复杂。 锁（以及其他更高级的同步机制）是使用同步块创建的，因此我们无法完全抛弃synchronized关键字。
从Java 5开始，包java.util.concurrent.locks包含多个锁实现，因此不需要再实现自己的锁。 但是你仍然需要知道如何使用它们，并且了解其实现背后的理论仍然很有用。 有关更多详细信息，请参见我在java.util.concurrent.locks.Lock接口上的教程。
简单的锁
让我们从Java代码的同步块开始看：
public class Counter{
private int count = 0;
public int inc(){
synchronized(this){
return ++count;
}
}
}注意inc（）方法中的synchronized（this）块。 此块可确保一次只有一个线程可以执行return ++ count。 同步块中的代码本来可以更复杂，但是用简单的++ count足以说明要点。
Counter类还可以这样写，使用Lock而不是同步块：
public class Counter{
private Lock lock = new Lock();
private int count = 0;
public int inc(){
lock.lock();
int newCount = ++count;
lock.unlock();
return newCount;
}
}lock（）方法锁定Lock实例，因而所有调用lock（）的线程都被阻塞，直到执行unlock（）为止。
这是一个简单的Lock实现：
public class Lock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
while(isLocked){
wait();
}
isLocked = true;
}
public synchronized void unlock(){
isLocked = false;
notify();
}
}注意while（isLocked）循环，也称为“自旋锁”。 自旋锁以及方法wait（）和notify（）在“线程信号”一文中有详细介绍。 当isLocked为true时，调用lock（）的线程将停在wait（）中等待。 万一线程在没有收到notify（）调用的情况下从wait（）中意外返回（也称为“虚假唤醒”），则该线程会重新检查isLocked条件以查看是否可以安全进行，而不是仅仅假定被唤醒就表示可以安全进行。 如果isLocked为false，则线程退出while（isLocked）循环，并将isLocked设置为true，以锁定Lock实例而不给其他调用lock（）的线程使用。
当线程执行完临界区中的代码（lock（）和unlock（）之间的代码），线程将调用unlock（）。 执行unlock（）会将isLocked设置为false，并通知（唤醒）在lock（）方法中的wait（）中等待的某个线程（如果有的话）。
锁的可重入性
Java中的同步块是可重入的。 这意味着，如果Java线程进入了同步的代码块，从而锁定了同步该块的管程对象，则该线程可以进入在同一管程对象上同步的其他Java代码块。 见下面的例子：
public class Reentrant{
public synchronized outer(){
inner();
}
public synchronized inner(){
//do something
}
}请注意，outer（）和inner（）都被声明为synchronized，这在Java中等效于synchronized（this）块。 如果线程调用outer()，则从outer()内部调用inner（）没问题，因为两个方法（或块）都在同一个管程对象（“ this”）上同步。 如果线程已经拥有管程对象上的锁，则它可以访问在同一管程对象上同步的所有的块。 这称为重入性。 线程可以重新进入已经为其持有锁的任何代码块。
前面所示的锁实现不是可重入的。 如果我们像下面那样重写Reentrant类，则调用outer()的线程将阻塞在inner（）方法的lock.lock（）内部。
public class Reentrant2{
Lock lock = new Lock();
public outer(){
lock.lock();
inner();
lock.unlock();
}
public synchronized inner(){
lock.lock();
//do something
lock.unlock();
}
}调用outer()的线程将首先锁定Lock实例。 然后它将调用inner（）。 在inner（）方法内部，线程将再次尝试锁定Lock实例。 这将失败（这意味着线程将被阻塞），因为Lock实例已在outside（）方法中被锁定了。
线程第二次调用lock（）时，因为没有先调用unlock（）而被阻塞，这个原因查看lock（）实现就很明显了。
public class Lock{
boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
while(isLocked){
wait();
}
isLocked = true;
}
...
}是否允许线程退出lock（）方法是由while循环（自旋锁）中的条件决定的。 当前的条件是isLocked必须为false才能允许此操作，而不管由哪个线程锁定。
要使Lock类可重入，我们需要做一些小改动：
public class Lock{
boolean isLocked = false;
Thread lockedBy = null;
int lockedCount = 0;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
Thread callingThread = Thread.currentThread();
while(isLocked && lockedBy != callingThread){
wait();
}
isLocked = true;
lockedCount++;
lockedBy = callingThread;
}
public synchronized void unlock(){
if(Thread.curentThread() == this.lockedBy){
lockedCount--;
if(lockedCount == 0){
isLocked = false;
notify();
}
}
}
...
}请注意，while循环（自旋锁）现在将锁定Lock实例的线程也考虑在内。 如果锁被解锁（isLocked = false）或调用线程是锁定Lock实例的线程，则while循环将不会执行，因而调用lock（）的线程能够退出该方法。
另外，我们需要计算锁被同一线程锁定的次数。 否则，即使该锁已被多次锁定，一次调用unlock（）也会解锁该锁。 除非锁定该锁的线程调用unlock（）的次数lock（）一样，否则我们不希望锁被解锁。
lock类现在是可重入的了。
锁的公平性
Java的同步块无法保证尝试进入同步块的线程的访问顺序。 因此，如果许多线程一直在争夺对同一同步块的访问权，一个或多个线程有可能永远得不到访问权——该访问权始终会授予其他线程。 这称为饥饿。 为了避免这种情况，锁应该实现公平性。 由于本文中示例的Lock实现在内部使用同步块，因此它们不能保证公平性。 关于饥饿和公平性，在《饥饿和公平性》篇中有更详细的讨论。
从finally子句中调用unlock（）
当用Lock保护临界区时，临界区可能会引发异常，因此一定要从finally子句内部调用unlock（）方法。 这样做可以确保锁可以被解锁，以便其他线程可以锁定它。 这是一个例子：
lock.lock();
try{
//do critical section code, which may throw exception
} finally {
lock.unlock();
}这个小结构确保万一临界区中的代码引发异常时，锁可以解锁。 如果不从finally子句内部调用unlock（），并且从临界区抛出了异常，则Lock将永远保持锁定状态，从而导致在该Lock实例上调用lock（）的所有线程无限期地暂停。
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