詳解Java多線程編程中互斥鎖ReentrantLock類的用法

原創 bluesayer01 2018-09-11 02:38

0.關於互斥鎖

所謂互斥鎖, 指的是一次最多只能有一個線程持有的鎖. 在jdk1.5之前, 我們通常使用synchronized機制控制多個線程對共享資源的訪問. 而現在, Lock提供了比synchronized機制更廣泛的鎖定操作, Lock和synchronized機制的主要區別:
synchronized機制提供了對與每個對象相關的隱式監視器鎖的訪問, 並強制所有鎖獲取和釋放均要出現在一個塊結構中, 當獲取了多個鎖時, 它們必須以相反的順序釋放. synchronized機制對鎖的釋放是隱式的, 只要線程運行的代碼超出了synchronized語句塊範圍, 鎖就會被釋放. 而Lock機制必須顯式的調用Lock對象的unlock()方法才能釋放鎖, 這爲獲取鎖和釋放鎖不出現在同一個塊結構中, 以及以更自由的順序釋放鎖提供了可能。

1. ReentrantLock介紹
ReentrantLock是一個可重入的互斥鎖，又被稱爲“獨佔鎖”。
顧名思義，ReentrantLock鎖在同一個時間點只能被一個線程鎖持有；而可重入的意思是，ReentrantLock鎖，可以被單個線程多次獲取。
ReentrantLock分爲“公平鎖”和“非公平鎖”。它們的區別體現在獲取鎖的機制上是否公平。“鎖”是爲了保護競爭資源，防止多個線程同時操作線程而出錯，ReentrantLock在同一個時間點只能被一個線程獲取(當某線程獲取到“鎖”時，其它線程就必須等待)；ReentraantLock是通過一個FIFO的等待隊列來管理獲取該鎖所有線程的。在“公平鎖”的機制下，線程依次排隊獲取鎖；而“非公平鎖”在鎖是可獲取狀態時，不管自己是不是在隊列的開頭都會獲取鎖。

ReentrantLock函數列表

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// 創建一個 ReentrantLock ，默認是“非公平鎖”。
ReentrantLock()
// 創建策略是fair的 ReentrantLock。fair爲true表示是公平鎖，fair爲false表示是非公平鎖。
ReentrantLock(boolean fair)
 
// 查詢當前線程保持此鎖的次數。
int getHoldCount()
// 返回目前擁有此鎖的線程，如果此鎖不被任何線程擁有，則返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一個 collection，它包含可能正等待獲取此鎖的線程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回正等待獲取此鎖的線程估計數。
int getQueueLength()
// 返回一個 collection，它包含可能正在等待與此鎖相關給定條件的那些線程。
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)
// 返回等待與此鎖相關的給定條件的線程估計數。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查詢給定線程是否正在等待獲取此鎖。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查詢是否有些線程正在等待獲取此鎖。
boolean hasQueuedThreads()
// 查詢是否有些線程正在等待與此鎖有關的給定條件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果是“公平鎖”返回true，否則返回false。
boolean isFair()
// 查詢當前線程是否保持此鎖。
boolean isHeldByCurrentThread()
// 查詢此鎖是否由任意線程保持。
boolean isLocked()
// 獲取鎖。
void lock()
// 如果當前線程未被中斷，則獲取鎖。
void lockInterruptibly()
// 返回用來與此 Lock 實例一起使用的 Condition 實例。
Condition newCondition()
// 僅在調用時鎖未被另一個線程保持的情況下，才獲取該鎖。
boolean tryLock()
// 如果鎖在給定等待時間內沒有被另一個線程保持，且當前線程未被中斷，則獲取該鎖。
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
// 試圖釋放此鎖。
void unlock()

2. ReentrantLock示例
通過對比“示例1”和“示例2”,我們能夠清晰的認識lock和unlock的作用
2.1 示例1

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import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
// LockTest1.java
// 倉庫
class Depot {
 private int size;  // 倉庫的實際數量
 private Lock lock;  // 獨佔鎖
 
 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();
  }
 }
};
 
// 生產者
class Producer {
 private Depot depot;
 
 public Producer(Depot depot) {
  this.depot = depot;
 }
 
 // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
 public void produce(final int val) {
  new Thread() {
   public void run() {
    depot.produce(val);
   }
  }.start();
 }
}
 
// 消費者
class Customer {
 private Depot depot;
 
 public Customer(Depot depot) {
  this.depot = depot;
 }
 
 // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
 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);
 }
}

運行結果：

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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

結果分析：
(1) Depot 是個倉庫。通過produce()能往倉庫中生產貨物，通過consume()能消費倉庫中的貨物。通過獨佔鎖lock實現對倉庫的互斥訪問：在操作(生產/消費)倉庫中貨品前，會先通過lock()鎖住倉庫，操作完之後再通過unlock()解鎖。
(2) Producer是生產者類。調用Producer中的produce()函數可以新建一個線程往倉庫中生產產品。
(3) Customer是消費者類。調用Customer中的consume()函數可以新建一個線程消費倉庫中的產品。
(4) 在主線程main中，我們會新建1個生產者mPro，同時新建1個消費者mCus。它們分別向倉庫中生產/消費產品。
根據main中的生產/消費數量，倉庫最終剩餘的產品應該是50。運行結果是符合我們預期的！
這個模型存在兩個問題：
(1) 現實中，倉庫的容量不可能爲負數。但是，此模型中的倉庫容量可以爲負數，這與現實相矛盾！
(2) 現實中，倉庫的容量是有限制的。但是，此模型中的容量確實沒有限制的！
這兩個問題，我們稍微會講到如何解決。現在，先看個簡單的示例2；通過對比“示例1”和“示例2”,我們能更清晰的認識lock(),unlock()的用途。

2.2 示例2

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import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
// LockTest2.java
// 倉庫
class Depot {
  private int size;    // 倉庫的實際數量
  private Lock lock;    // 獨佔鎖
 
  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();
//    }
  }
};
 
// 生產者
class Producer {
  private Depot depot;
 
  public Producer(Depot depot) {
    this.depot = depot;
  }
 
  // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
  public void produce(final int val) {
    new Thread() {
      public void run() {
        depot.produce(val);
      }
    }.start();
  }
}
 
// 消費者
class Customer {
  private Depot depot;
 
  public Customer(Depot depot) {
    this.depot = depot;
  }
 
  // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
  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)運行結果：

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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

結果說明：
“示例2”在“示例1”的基礎上去掉了lock鎖。在“示例2”中，倉庫中最終剩餘的產品是-60，而不是我們期望的50。原因是我們沒有實現對倉庫的互斥訪問。

2.3 示例3
在“示例3”中，我們通過Condition去解決“示例1”中的兩個問題：“倉庫的容量不可能爲負數”以及“倉庫的容量是有限制的”。
解決該問題是通過Condition。Condition是需要和Lock聯合使用的：通過Condition中的await()方法，能讓線程阻塞[類似於wait()]；通過Condition的signal()方法，能讓喚醒線程[類似於notify()]。

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import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
 
// LockTest3.java
// 倉庫
class Depot {
  private int capacity;  // 倉庫的容量
  private int size;    // 倉庫的實際數量
  private Lock lock;    // 獨佔鎖
  private Condition fullCondtion;      // 生產條件
  private Condition emptyCondtion;    // 消費條件
 
  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“想要生產的數量”(有可能生產量太多，需多此生產)
      int left = val;
      while (left > 0) {
        // 庫存已滿時，等待“消費者”消費產品。
        while (size >= capacity)
          fullCondtion.await();
        // 獲取“實際生產的數量”(即庫存中新增的數量)
        // 如果“庫存”+“想要生產的數量”>“總的容量”，則“實際增量”=“總的容量”-“當前容量”。(此時填滿倉庫)
        // 否則“實際增量”=“想要生產的數量”
        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“消費者”可以消費了。
        emptyCondtion.signal();
      }
    } catch (InterruptedException e) {
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }
 
  public void consume(int val) {
    lock.lock();
    try {
      // left 表示“客戶要消費數量”(有可能消費量太大，庫存不夠，需多此消費)
      int left = val;
      while (left > 0) {
        // 庫存爲0時，等待“生產者”生產產品。
        while (size <= 0)
          emptyCondtion.await();
        // 獲取“實際消費的數量”(即庫存中實際減少的數量)
        // 如果“庫存”<“客戶要消費的數量”，則“實際消費量”=“庫存”；
        // 否則，“實際消費量”=“客戶要消費的數量”。
        int dec = (size<left) ? size : left;
        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;
  }
};
 
// 生產者
class Producer {
  private Depot depot;
 
  public Producer(Depot depot) {
    this.depot = depot;
  }
 
  // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
  public void produce(final int val) {
    new Thread() {
      public void run() {
        depot.produce(val);
      }
    }.start();
  }
}
 
// 消費者
class Customer {
  private Depot depot;
 
  public Customer(Depot depot) {
    this.depot = depot;
  }
 
  // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
  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)運行結果：

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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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