详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法

详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法

0.关于互斥锁

所谓互斥锁, 指的是一次最多只能有一个线程持有的锁. 在jdk1.5之前, 我们通常使用synchronized机制控制多个线程对共享资源的访问. 而现在, Lock提供了比synchronized机制更广泛的锁定操作, Lock和synchronized机制的主要区别:

synchronized机制提供了对与每个对象相关的隐式监视器锁的访问, 并强制所有锁获取和释放均要出现在一个块结构中, 当获取了多个锁时, 它们必须以相反的顺序释放. synchronized机制对锁的释放是隐式的, 只要线程运行的代码超出了synchronized语句块范围, 锁就会被释放. 而Lock机制必须显式的调用Lock对象的unlock()方法才能释放锁, 这为获取锁和释放锁不出现在同一个块结构中, 以及以更自由的顺序释放锁提供了可能。

1. ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantJXslfzARLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。

ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentrJXslfzARaantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

ReentrantLock函数列表

// 创建一个 ReentrantLock ，默认是“非公平锁”。

ReentrantLock()

// 创建策略是fair的 ReentrantLock。fair为true表示是公平锁，fair为false表示是非公平锁。

ReentrantLock(boolean fair)

// 查询当前线程保持此锁的次数。

int getHoldCount()

// 返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回 null。

protected Thread getOwner()

// 返回一个 collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。

protected Collection getQueuedThreads()

// 返回正等待获取此锁的线程估计数。

int getQueueLength()

// 返回一个 collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。

protected Collection getWaitingThreads(Condition condition)

// 返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。

int getWaitQueueLength(Condition condition)

// 查询给定线程是否正在等待获取此锁。

boolean hasQueuedThread(Thread thread)

// 查询是否有些线程正在等待获取此锁。

boolean hasQueuedThreads()

// 查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。

boolean hasWaiters(Condition condition)

// 如果是“公平锁”返回true，否则返回false。

boolean isFair()

// 查询当前线程是否保持此锁。

boolean isHeldByCurrentThread()

// 查询此锁是否由任意线程保持。

boolean isLocked()

// 获取锁。

void lock()

// 如果当前线程未被中断，则获取锁。

void lockInterruptibly()

// 返回用来与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。

Condition newCondition()

// 仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。

boolean tryLock()

// 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁。

boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

// 试图释放此锁。

void unlock()

2. ReentrantLock示例

通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用

2.1 示例1

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest1.java

// 仓库

class Depot {

private int size; // 仓库的实际数量

private Lock lock; // 独占锁

public Depot() {

this.size = 0;

this.lock = new ReentrantLock();

}

public void produce(int val) {

lock.lock();

try {

size += val;

System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, size);

} finally {

lock.unlock();

}

}

public void consume(int val) {

lock.lock();

try {

size -= val;

System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, size);

} finally {

lock.unlock();

}

}

};

// 生产者

class Producer {

private Depot depot;

public Producer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。

public void produce(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.produce(val);

}

}.start();

}

}

// 消费者

class Customer {

private Depot depot;

public Customer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。

public void consume(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.consume(val);

}

}.start();

}

}

public class LockTest1 {

public static void main(String[] args) {

Depot mDepot = new Depot();

Producer mPro = new Producer(mDepot);

Customer mCus = new Customer(mDepot);

mPro.produce(60);

mPro.produce(120);

mCus.consume(90);

mCus.consume(150);

mPro.produce(110);

}

}

运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=60

Thread-1 produce(120) --> size=180

Thread-3 consume(150) <-- size=30

Thread-2 consume(90) <-- size=-60

Thread-4 produce(110) --> size=50

结果分析：

(1) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。

(2) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。

(3) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。

(4) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。

根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！

这个模型存在两个问题：

(1) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！

(2) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！

这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。

2.2 示例2

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest2.java

// 仓库

class Depot {

private int size; // 仓库的实际数量

private Lock lock; // 独占锁

public Depot() {

this.size = 0;

this.lock = new ReentrantLock();

}

public void produce(int val) {

// lock.lock();

// try {

size += val;

System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, size);

// } catch (InterruptedException e) {

// } finally {

// lock.unlock();

// }

}

public void consume(int val) {

// lock.lock();

// try {

size -= val;

System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, size);

// } finally {

// lock.unlock();

// }

}

};

// 生产者

class PJXslfzARroducer {

private Depot depot;

public Producer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。

public void produce(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.produce(val);

}

}.start();

}

}

// 消费者

class Customer {

private Depot depot;

public Customer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。

public void consume(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.consume(val);

}

}.start();

}

}

public class LockTest2 {

public static void main(String[] args) {

Depot mDepot = new Depot();

Producer mPro = new Producer(mDepot);

Customer mCus = new Customer(mDepot);

mPro.produce(60);

mPro.produce(120);

mCus.consume(90);

mCus.consume(150);

mPro.produce(110);

}

}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=-60

Thread-4 produce(110) --> size=50

Thread-2 consume(90) <-- size=-60

Thread-1 produce(120) --> size=-60

Thread-3 consume(150) <-- size=-60

结果说明：

“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。

2.3 示例3

在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。

解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

import java.util.concurrent.locks.Condition;

// LockTest3.java

// 仓库

class Depot {

private int capacity; // 仓库的容量

private int size; // 仓库的实际数量

private Lock lock; // 独占锁

private Condition fullCondtion; // 生产条件

private Condition emptyCondtion; // 消费条件

public Depot(int capacity) {

this.capacity = capacity;

this.size = 0;

this.lock = new ReentrantLock();

this.fullCondtion = lock.newCondition();

this.emptyCondtion = lock.newCondition();

}

public void produce(int val) {

lock.lock();

try {

// left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)

int left = val;

while (left > 0) {

// 库存已满时，等待“消费者”消费产品。

while (size >= capacity)

fullCondtion.await();

// 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)

// 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)

// 否则“实际增量”=“想要生产的数量”

int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;

size += inc;

left -= inc;

System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);

// 通知“消费者”可以消费了。

emptyCondtion.signal();

}

} catch (InterruptedException e) {

} finally {

lock.unlock();

}

}

public void http://consume(int val) {

lock.lock();

try {

// left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)

int left = val;

while (left > 0) {

// 库存为0时，等待“生产者”生产产品。

while (size <= 0)

emptyCondtion.await();

// 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)

// 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；

// 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。

int dec = (size

size -= dec;

left -= dec;

System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);

fullCondtion.signal();

}

} catch (InterruptedException e) {

} finally {

lock.unlock();

}

}

public String toString() {

return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;

}

};

// 生产者

class Producer {

private Depot depot;

public Producer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。

public void produce(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.produce(val);

}

}.start();

}

}

// 消费者

class Customer {

private Depot depot;

public Customer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。

public void consume(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.consume(val);

}

}.start();

}

}

public class LockTest3 {

public static void main(String[] args) {

Depot mDepot = new Depot(100);

Producer mPro = new Producer(mDepot);

Customer mCus = new Customer(mDepot);

mPro.produce(60);

mPro.produce(120);

mCus.consume(90);

mCus.consume(150);

mPro.produce(110);

}

}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left= 0, inc= 60, size= 60

Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100

Thread-2 consume( 90) <-- left= 0, dec= 90, size= 10

Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size= 0

Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100

Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size= 0

Thread-4 produce(110) --> left= 0, inc= 10, size= 10

Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size= 0

Thread-1 produce(120) --> left= 0, inc= 80, size= 80

Thread-3 consume(150) <-- left= 0, dec= 30, size= 50

size -= dec;

left -= dec;

System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",

Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);

fullCondtion.signal();

}

} catch (InterruptedException e) {

} finally {

lock.unlock();

}

}

public String toString() {

return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;

}

};

// 生产者

class Producer {

private Depot depot;

public Producer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。

public void produce(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.produce(val);

}

}.start();

}

}

// 消费者

class Customer {

private Depot depot;

public Customer(Depot depot) {

this.depot = depot;

}

// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。

public void consume(final int val) {

new Thread() {

public void run() {

depot.consume(val);

}

}.start();

}

}

public class LockTest3 {

public static void main(String[] args) {

Depot mDepot = new Depot(100);

Producer mPro = new Producer(mDepot);

Customer mCus = new Customer(mDepot);

mPro.produce(60);

mPro.produce(120);

mCus.consume(90);

mCus.consume(150);

mPro.produce(110);

}

}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left= 0, inc= 60, size= 60

Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100

Thread-2 consume( 90) <-- left= 0, dec= 90, size= 10

Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size= 0

Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100

Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size= 0

Thread-4 produce(110) --> left= 0, inc= 10, size= 10

Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size= 0

Thread-1 produce(120) --> left= 0, inc= 80, size= 80

Thread-3 consume(150) <-- left= 0, dec= 30, size= 50

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