Java并发中的Lock

Lock in Java Concurrent

Posted by decaywood on 2016-03-06
- 错误校对

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的缺陷

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?

我们知道,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:

  • 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;
  • 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:

  • 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;

  • 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。

java.util.concurrent.locks包下常用的类

下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。

Lock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:

package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
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,会在以后讲述。

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?首先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:

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author: decaywood
 * @date: 2016/03/06 10:04
 */
public class LockLearn {

    public void doLock() {
        Lock lock = new xxx();
        lock.lock();
        try {
            // handle task
        } catch (Exception ex){
            // handle exception
        } finally {
            lock.unlock(); // release lock
        }
    }
}

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:

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author: decaywood
 * @date: 2016/03/06 10:04
 */
public class LockLearn {

    publi void doLock() {
        Lock lock = new xxx();
        if(lock.tryLock()) {
            try {
                // handle task
            } catch(Exception ex){
                // handle exception
            } finally {
                lock.unlock(); // release lock
            }
        } else {
            // do something else
        }
    }
}

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:

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author: decaywood
 * @date: 2016/03/06 10:04
 */
public class LockLearn {

    public void doLock() throws InterruptedException {
        Lock lock = new xxx();
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            // handle task
        }catch(Exception ex){
            // handle exception
        }finally{
            lock.unlock(); // release lock
        }
    }
}

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。

lock接口的实现类

SVG

锁的相关概念介绍

可重入锁

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。

/**
 * @author: decaywood
 * @date: 2016/03/06 12:54
 */
public class LockLearn {

    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

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

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。这两个类里面都有NonfairSync以及FairSync两个静态内部类,分别用来实现非公平锁和公平锁。

读写锁

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。

Lock和synchronized的选择

总结来说,Lock和synchronized有以下几点不同:

  • Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现
  • 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
  • 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
  • Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到
  • 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。