从Java 5之后,在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问,那就是Lock。
也许有朋友会问,既然都可以通过synchronized来实现同步访问了,那么为什么还需要提供Lock?这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起,然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口,最后讨论以下一些关于锁的概念方面的东西
synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢?
我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:
1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;
2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁。
那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。
再举个例子:当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:
如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。
另外,通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
总结一下:
也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:
1)Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;
2)Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。
下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。
首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用,lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述,会在后面的线程协作一文中讲述。
在Lock中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?
lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。
由于在前面讲到如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:
Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。
所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
}else {
//如果不能获取锁,则直接做其他事情
}
lockInterruptibly()方法比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。也就使说,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有在等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常,所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。
因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下:
public void method() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
//.....
}
finally {
lock.unlock();
}
}
注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程,只能中断阻塞过程中的线程。
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,只有进行等待的情况下,是可以响应中断的。
而用synchronized修饰的话,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去。
ReentrantLock,意思是“可重入锁”,关于可重入锁的概念在下一节讲述。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。
例子1,lock()的正确使用方法
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
}
各位朋友先想一下这段代码的输出结果是什么?
Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁
也许有朋友会问,怎么会输出这个结果?第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会发生冲突。
知道了原因改起来就比较容易了,只需要将lock声明为类的属性即可。
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
}
这样就是正确地使用Lock的方法了。
例子2,tryLock()的使用方法
public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
private Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void insert(Thread thread) {
if(lock.tryLock()) {
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
} else {
System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
}
}
}
输出结果:
Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁
例子3,lockInterruptibly()响应中断的使用方法:
public class Test {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
MyThread thread1 = new MyThread(test);
MyThread thread2 = new MyThread(test);
thread1.start();
thread2.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread2.interrupt();
}
public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
lock.lockInterruptibly(); //注意,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面,然后将InterruptedException抛出
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
long startTime = System.currentTimeMillis();
for( ; ;) {
if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
break;
//插入数据
}
}
finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
lock.unlock();
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
}
}
}
class MyThread extends Thread {
private Test test = null;
public MyThread(Test test) {
this.test = test;
}
@Override
public void run() {
try {
test.insert(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
}
}
}
运行之后,发现thread2能够被正确中断。
ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock();
}
一个用来获取读锁,一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开,分成2个锁来分配给线程,从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。
下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话,先看一下synchronized达到的效果:
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public synchronized void get(Thread thread) {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
}
}
这段程序的输出结果会是,直到thread1执行完读操作之后,才会打印thread2执行读操作的信息。
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕
而改成用读写锁的话:
public class Test {
private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public void get(Thread thread) {
rwl.readLock().lock();
try {
long start = System.currentTimeMillis();
while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
}
System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}
此时打印的结果为:
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1读操作完毕
说明thread1和thread2在同时进行读操作。
这样就大大提升了读操作的效率。
不过要注意的是,如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。
关于ReentrantReadWriteLock类中的其他方法感兴趣的朋友可以自行查阅API文档。
总结来说,Lock和synchronized有以下几点不同:
1)Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现;
2)synchronized在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock在发生异常时,如果没有主动通过unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用Lock时需要在finally块中释放锁;
3)Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;
4)通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到。
5)Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。
在性能上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的,而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。
LockSupport类,是JUC包中的一个工具类,定义了一组静态方法,提供最基本的线程阻塞和唤醒功能,是构建同步组件的基础工具,用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。
LockSupport类的核心方法其实就两个:park() 和 unpark(),其中 park() 方法用来阻塞线程,unpark()方法用于唤醒指定线程。
和Object类的wait() 和 signal() 方法有些类似,但是LockSupport的这两种方法从语意上讲比Object类的方法更清晰,而且可以针对指定线程进行阻塞和唤醒。
LockSupport类使用了一种名为Permit(许可)的概念来做到阻塞和唤醒线程的功能,可以把许可看成是一种(0,1)信号量(Semaphore),但与Semaphore不同的是,许可的量加上限1。
初始时,permit为0,当调用 unpark() 方法时,线程的permit加1,当调用 park()方法时,如果permit为0,则调用线程进入阻塞状态。
假设现在需要实现一种FIFO类型的独占锁,可以把这种锁看成是ReentrantLock的公平锁简单版本,且是不可重入的,就是说当一个线程获得锁后,其他等待线程以FIFO的调度方式等待获取锁。
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
class FIFOMutex {
private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
private final Queue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
waiters.add(current);
// 如果当前线程不在队首,或锁已被占用,则当前线程阻塞
// 这个判断的内在意图:锁必须由队首元素拿到
while (waiters.peek() != current || !locked.compareAndSet(false,true)){
LockSupport.park();
}
waiters.remove();// 删除队首元素
}
public void unlock(){
locked.set(false);
LockSupport.unpark(waiters.peek());
}
}
public class TestFIFOMutex {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
FIFOMutex mutex = new FIFOMutex();
MyThread a1 = new MyThread("a", mutex);
MyThread a2 = new MyThread("b", mutex);
MyThread a3 = new MyThread("c", mutex);
a1.start();
a2.start();
a3.start();
a1.join();
a2.join();
a3.join();
System.out.println("Finished");
}
}
class MyThread extends Thread{
private String name;
private FIFOMutex mutex;
private static int count;
public MyThread(String name, FIFOMutex mutex) {
this.name = name;
this.mutex = mutex;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
mutex.lock();
count++;
System.out.println("thread:"+Thread.currentThread().getName()+" name:" + name + " count:" + count);
mutex.unlock();
}
}
}
上述FIFOMutex类的实现中,当判断锁已被占用时,会调用 LockSupport.park(this) 方法,将当前调用线程阻塞;当使用完锁时,会调用 LockSupport.unpark(waiters.peek()) 方法将等待队列中的队首线程唤醒。
通过LockSupport的这两个方法,可以很方便的阻塞和唤醒线程。
park 方法是会响应中断的,但是不会抛出异常。(也就是说如果当前调用线程被中断,则会立即返回但不会抛出中断异常)
park 的重载方法 park(Object blocker),会传入一个blocker对象,所谓Blocker对象,其实就是当前线程调用时所在调用对象(如上述示例中的FIFOMutex对象)。该对象一般供监视、诊断工具确定线程受阻塞的原因时使用。
在没有Lock之前,我们使用synchronized来控制同步,配合Object的wait()、wait(long timeout)、notify()、以及notifyAll 等方法可以实现等待/通知模式。
Condition接口也提供了类似于Object的监听器方法、与Lock接口配合可以实现等待/通知模式,但是两者还是有很大区别的,下图是两者的对比:
Condition 将 Object 监视器方法(wait、notify 和 notifyAll)分解成截然不同的对象,以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用,为每个对象提供多个等待 set(wait-set)。其中,Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用,Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。
条件(也称为条件队列 或条件变量)为线程提供了一个含义,以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前,一直挂起该线程(即让其“等待”)。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中,所以它必须受保护,因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是:以原子方式 释放相关的锁,并挂起当前线程,就像 Object.wait 做的那样。
Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。要为特定 Lock 实例获得 Condition 实例,请使用其 newCondition() 方法。
核心方法
Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程:
await():造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
await(long time, TimeUnit unit) :造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
awaitNanos(long nanosTimeout) :造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间,如果在nanosTimesout之前唤醒,那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间,如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
awaitUninterruptibly() :造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意:该方法对中断不敏感】。
awaitUntil(Date deadline) :造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知,则返回true,否则表示到了指定时间,返回返回false。
signal() :唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
signalAll() :唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。
Condition是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待/通知模式,线程在调用await方法后执行挂起操作,直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition必须要配合锁一起使用,因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定,因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。
源码探索
获取一个Condition必须要通过Lock的newCondition()方法。该方法定义在接口Lock下,返回的结果是绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。
Condition为一个接口,其下仅有一个实现类ConditionObject,由于Condition的操作需要获取相关的锁,而AQS则是同步锁的实现基础,所以ConditionObject则定义为AQS的内部类。
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
// 省略方法
}
等待队列
每个Condition对象都包含着一个FIFO队列,该队列是Condition对象通知/等待功能的关键。
在队列中每一个节点都包含着一个线程引用,该线程就是在该Condition对象上等待的线程。
Condition的定义:
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;
/**
* Creates a new {@code ConditionObject} instance.
*/
public ConditionObject() { }
// Internal methods
// 省略方法
}
从上面代码可以看出Condition拥有首节点(firstWaiter),尾节点(lastWaiter)。
当前线程调用await()方法,将会以当前线程构造成一个节点(Node),并将节点加入到该队列的尾部。
Node里面包含了当前线程的引用。Node定义与AQS的CLH同步队列的节点使用的都是同一个类。
Condition的队列结构比CLH同步队列的结构简单些,新增过程较为简单只需要将原尾节点的nextWaiter指向新增节点,然后更新lastWaiter即可。
等待
调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态,同时会加入到Condition等待队列并释放锁。
当从await()方法返回时,当前线程一定是获取了Condition相的锁。
public final void await() throws InterruptedException {
// 当前线程中断、直接异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//加入等待队列
Node node = addConditionWaiter();
//释放锁
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
//检测当前节点是否在同步队列上、如果不在则说明该节点没有资格竞争锁,继续等待。
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 挂起线程
LockSupport.park(this);
// 线程释是否被中断,中断直接退出
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 获取同步状态
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
// 清理条件队列
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
此段代码的逻辑是:首先将当前线程新建一个节点同时加入到等待队列中,然后释放当前线程持有的同步状态。
然后则是不断检测该节点代表的线程是否出现在CLH同步队列中(收到signal信号之后就会在AQS队列中检测到),如果不存在则一直挂起,否则参与竞争同步状态。
加入条件队列(addConditionWaiter())源码如下
private Node addConditionWaiter() {
//队列的尾节点
Node t = lastWaiter;
// If lastWaiter is cancelled, clean out.
// 如果该节点的状态的不是CONDITION,则说明该节点不在等待队列上,需要清除
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
// 清除等待队列中状态不为CONDITION的节点
unlinkCancelledWaiters();
//清除后重新获取尾节点
t = lastWaiter;
}
// 将当前线程构造成等待节点
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
// 将node节点添加到等待队列的尾部
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}
该方法主要是将当前线程加入到Condition条件队列中。当然在加入到尾节点之前会清除所有状态不为Condition的节点。
fullyRelease(Node node),负责释放该线程持有的锁
final int fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
// 获取节点持有锁的数量
int savedState = getState();
// 释放锁也就是释放共享状态
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}
isOnSyncQueue(Node node):如果一个节点刚开始在条件队列上,现在在同步队列上获取锁则返回true。
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
// 状态为CONDITION 、前驱节点为空,返回false
if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
return false;
// 如果后继节点不为空,则说明节点肯定在同步队列中
if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
return true;
/*
* node.prev can be non-null, but not yet on queue because
* the CAS to place it on queue can fail. So we have to
* traverse from tail to make sure it actually made it. It
* will always be near the tail in calls to this method, and
* unless the CAS failed (which is unlikely), it will be
* there, so we hardly ever traverse much.
*/
return findNodeFromTail(node);
}
unlinkCancelledWaiters():负责将条件队列中状态不为Condition的节点删除。
private void unlinkCancelledWaiters() {
// 首节点
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
// 从头开始清除状态不为CONDITION的节点
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;
t = next;
}
}
通知
调用Condition的signal()方法,将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点(条件队列里的首节点),在唤醒节点前,会将节点移到同步队列中。
public final void signal() {
// 如果同步是以独占方式进行的,则返回 true;其他情况则返回 false
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 唤醒首节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
该方法首先会判断当前线程是否已经获得了锁,这是前置条件。然后唤醒条件队列中的头节点。
doSignal(Node first):唤醒头节点
private void doSignal(Node first) {
do {
// 修改头节点、方便移除
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
// 将该节点移到同步队列
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
**doSignal(Node first)**主要是做两件事:
1.修改头节点;
2.调用transferForSignal(Node first) 方法将节点移动到CLH同步队列中。
transferForSignal(Node first)源码如下
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
*/
// 将该节点的状态改为初始状态0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
/*
* Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
* indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
* attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
* case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
*/
// 将该节点添加到同步队列的尾部、返回的是旧的尾部节点,也就是 node.prev节点
Node p = enq(node);
//如果结点p的状态为cancel 或者修改waitStatus失败,则直接唤醒
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
整个通知的流程如下:
判断当前线程是否已经获取了锁,如果没有获取则直接抛出异常,因为获取锁为通知的前置条件。
如果线程已经获取了锁,则将唤醒条件队列的首节点。
唤醒首节点是先将条件队列中的头节点移出,然后调用AQS的enq(Node node)方法将其安全地移到CLH同步队列中 。
最后判断如果该节点的同步状态是否为Cancel,或者修改状态为Signal失败时,则直接调用LockSupport唤醒该节点的线程。
一个线程获取锁后,通过调用Condition的await()方法,会将当前线程先加入到条件队列中,然后释放锁,最后通过isOnSyncQueue(Node node)方法不断自检看节点是否已经在CLH同步队列了,如果是则尝试获取锁,否则一直挂起。
当线程调用signal()方法后,程序首先检查当前线程是否获取了锁,然后通过doSignal(Node first)方法唤醒CLH同步队列的首节点。被唤醒的线程,将从await()方法中的while循环中退出来,然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。
栗子:
class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在前面介绍了Lock的基本使用,这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。
如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。
看下面这段代码就明白了:
class MyClass {
public synchronized void method1() {
method2();
}
public synchronized void method2() {
}
}
上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。
而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。
可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。
在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。
如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。
在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。
公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。
而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。
在ReentrantLock中定义了2个静态内部类,一个是NotFairSync,一个是FairSync,分别用来实现非公平锁和公平锁。
我们可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
如果参数为true表示为公平锁,为fasle为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。
另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如:
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
在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。
读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。
正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。
上面已经演示过了读写锁的使用方法,在此不再赘述。