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

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

package com.itsoku.chat06;
/**
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 */
public class Demo2 {
    private static int num = 0;
    private static synchronized void add() {
        num++;
    }
    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo2.add();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
        System.out.println(Demo2.num);
    }
}

ReentrantLock方式:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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 */
public class Demo3 {
    private static int num = 0;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static void add() {
        lock.lock();
        try {
            num++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo3.add();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
        System.out.println(Demo3.num);
    }
}

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:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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 */
public class Demo4 {
    private static int num = 0;
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static void add() {
        lock.lock();
        lock.lock();
        try {
            num++;
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }
    public static class T extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                Demo4.add();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T();
        T t2 = new T();
        T t3 = new T();
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
        System.out.println(Demo4.num);
    }
}

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删除一个事实,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运行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:

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

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:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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 */
public class Demo5 {
    private static int num = 0;
    private static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                fairLock.lock();
                try {
                    System.out.println(this.getName() + "获得锁!");
                } finally {
                    fairLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");
        T t3 = new T("t3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
    }
}

运行结果输出:

t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
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:

t1获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t3获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t1获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
t2获得锁!
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,那么你一定达到回府。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:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
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 */
public class Demo6 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(false);
    public static class T extends Thread {
        int lock;
        public T(String name, int lock) {
            super(name);
            this.lock = lock;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                if (this.lock == 1) {
                    lock1.lockInterruptibly();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    lock2.lockInterruptibly();
                } else {
                    lock2.lockInterruptibly();
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    lock1.lockInterruptibly();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("中断标志:" + this.isInterrupted());
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
                if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock2.unlock();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1", 1);
        T t2 = new T("t2", 2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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。

Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
  waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c20, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
  which is held by "t1"
"t1":
  waiting for ownable synchronizer 0x0000000717380c50, (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync),
  which is held by "t2"

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:

T t1 = new T("t1", 1);
T t2 = new T("t2", 2);
t1.start();
t2.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
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:

java.lang.InterruptedException
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:898)
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1222)
    at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
    at com.itsoku.chat06.Demo6$T.run(Demo6.java:31)
中断标志:false

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所。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:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * 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!
 */
public class Demo8 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                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
                if (lock1.tryLock()) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!");
                    //获取到锁之后,休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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:

1563356291081:t2开始获取锁!
1563356291081:t2获取到了锁!
1563356291081:t1开始获取锁!
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:

package com.itsoku.chat06;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * 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!
 */
public class Demo7 {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(false);
    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                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
                if (lock1.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "获取到了锁!");
                    //获取到锁之后,休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + this.getName() + "未能获取到锁!");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
                    lock1.unlock();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        T t2 = new T("t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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:

1563355512901:t2开始获取锁!
1563355512901:t1开始获取锁!
1563355512902:t2获取到了锁!
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中方法对比

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 throws InterruptedException,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

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