Java 多线程（三）－ Lock 和 ReentrantLock

Lock

Lock接口定义了一组抽象的加锁操作：

public interface Lock {
    //获取锁，会一直等待
    void lock();    
    //获取锁，否则一直等待，但是等待状态可以被其他线程中断
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    //尝试获得锁，没抢到直接返回失败
    boolean tryLock();      
    //尝试获取锁，没抢到则会等待一段时间，等待状态可以被其他线程中断
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    //释放锁
    void unlock();
    //生成锁的条件变量，线程获取锁后，可以等待或者通知该条件变量
    Condition newCondition();
}

与内置的 Monitor 锁（也叫内部锁，内置锁）不同，Lock 提供了多种获取锁的方式（无条件的，可轮询的，定时的以及可中断的），所有的加锁和解锁的方法都是显示的。

Lock 的实现类必须提供与内部锁相同的内存可见性，但在加锁语义，调度算法，顺序保证以及性能特性有所不同。

可重入锁 ReentrantLock

ReentrantLock 实现了 Lock 接口，并提供了与 synchronized 相同的互斥和内存可见性，ReentrantLock 并不是替代内置锁的方法，而是当内置锁机制不适用时，作为一种可以选择的补充的高级功能。

对比 synchronized

ReentrantLock 是 synchronized 的功能补充，它们之间的差异可以用下表表示：

| synchronized | ReentrantLock
------------- | ------------- | -------------
获取锁方式 | 抢锁失败只能无限等待 | 提供多种等待锁方式，可以无限等待
| | 可以限制等待超时
| | 等待时可以被中断
| | 可以无阻塞尝试获取锁
等待线程调度 | 未知，视 JVM 实现 | 公平锁：FIFO，按照进入同步队列顺序
| | 非公平锁：第一次获取锁时有机会插队
编程便利性 | 获取锁/等待锁/释放锁都有内部实现，使用便利 | 需要显示获取锁，释放锁，切记要捕捉 exception， 在 finally 中释放锁
性能 | 略低，Java6 后有显著提高 | 较高，Java6 后差距减小
调试 | 线程转储中给出哪些调用帧获得哪些锁 | Java6 后提供管理和调试接口，锁需要通过该接口注册，相关加锁信息出现在线程转储中

未来更可能提升 synchronized 性能，因为 synchronized 是 JVM 内置属性，它能执行一些优化，比如增加锁的粒度来消除内置锁的同步，对于类库里的 ReentrantLock 则优化余地不大。所以综合未来性能，调试，特别是编程便利性来说，synchronized 是使用时的第一选择，只有当它的功能不满足，或者程序运行在 Java5 或之前，才考虑 ReentrantLock。

公平性

ReentrantLock 的构造函数中提供两个公平性选择：创建一个非公平（默认）的锁，或者公平锁。

公平锁

线程按照他们发出请求的顺序来获得锁。如果有另一个线程持有这个锁或者有其他线程在队列中等待这个锁，那么新发出请求的线程将放入队列中。

但是即便对于公平锁而已，可轮询的 tryLock 仍然会有可能插队。

非公平锁

非公平锁允许“插队”：当一个线程请求非公平的锁时，如果在发出请求的同时该锁的状态变为可用，那么这个线程将跳过排队队列，直接获取这个锁。

只有当锁被某个线程持有时，新发出请求的线程才会被放入队列中。

为什么要将非公平锁作为默认锁，因为在实际应用中，确保被阻塞的线程能够最终获得锁就可以了，绝对的公平产生的开销也较大，绝大多数情况下，非公平锁的性能要高于公平锁。

内部实现

可以把 ReentrantLock 想象成代理模式，其中最核心的加锁/解锁等操作其实都是由 Sync 对象完成的，Sync 的 acquire 系列接口实现加锁， release 系列接口实现解锁。对于公平锁和非公平锁，分别由 FairSync 和 NonfairSync 实现。它们之间的类图关系，如下图所示：

类关系

其中最核心的部分是 AbstractQueuedSynchronizer，简称 AQS。这个类也是其他同步类的基类，AQS 是一个用户构建锁和同步器的框架，许多同步器都可以通过 AQS 快速的构造出来。不仅是 ReentrantLock， 也包括 Semaphore, CountDownLatch, ReentrantReadWriteLock, SynchronouszQueue 和 FurtureTask。

因为篇幅，最核心的 AQS 不妨放到下篇来记录。

最佳编程模式

class X {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...

    public void m() {
        lock.lock();  // block until condition holds
        try {
            // ... method body
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

切记 finally 中释放锁。

内容来源

Java 并发编程实战