Java中的顯示鎖ReentrantLock使用與原理詳解

這篇文章主要介紹了Java中的顯示鎖ReentrantLock使用與原理詳解，小編覺得挺不錯的，現在分享給大家，也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

考慮一個場景，輪流打印0-100以內的技術和偶數。通過使用 synchronize 的 wait，notify機制就可以實現，核心思路如下：
使用兩個線程，一個打印奇數，一個打印偶數。這兩個線程會共享一個數據，數據每次自增，當打印奇數的線程發現當前要打印的數字不是奇數時，執行等待，否則打印奇數，並將數字自增1，對於打印偶數的線程也是如此

//打印奇數的線程
private static class OldRunner implements Runnable{
  private MyNumber n;

  public OldRunner(MyNumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waitToOld(); //等待數據變成奇數
      System.out.println("old:" + n.getVal());
      n.increase();
      if (n.getVal()>98){
        break;
      }
    }
  }
}
//打印偶數的線程
private static class EvenRunner implements Runnable{
  private MyNumber n;

  public EvenRunner(MyNumber n) {
    this.n = n;
  }

  public void run() {
    while (true){
      n.waitToEven();      //等待數據變成偶數
      System.out.println("even:"+n.getVal());
      n.increase(); 
      if (n.getVal()>99){
        break;
      }
    }
  }
}

共享的數據如下

private static class MyNumber{
  private int val;

  public MyNumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getVal() {
    return val;
  }
  public synchronized void increase(){
    val++;
    notify(); //數據變了，喚醒另外的線程
  }
  public synchronized void waitToOld(){
    while ((val % 2)==0){
      try {
        System.out.println("i am "+Thread.currentThread().getName()+" ,but now is even:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是偶數，一直等待
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
  public synchronized void waitToEven(){
    while ((val % 2)!=0){
      try {
        System.out.println("i am "+Thread.currentThread().getName()+" ,but now old:"+val+",so wait");
        wait(); //只要是奇數，一直等待
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}

運行代碼如下

MyNumber n = new MyNumber(0);
Thread old=new Thread(new OldRunner(n),"old-thread");
Thread even = new Thread(new EvenRunner(n),"even-thread");
old.start();
even.start();

運行結果如下

i am old-thread ,but now is even:0,so wait
even:0
i am even-thread ,but now old:1,so wait
old:1
i am old-thread ,but now is even:2,so wait
even:2
i am even-thread ,but now old:3,so wait
old:3
i am old-thread ,but now is even:4,so wait
even:4
i am even-thread ,but now old:5,so wait
old:5
i am old-thread ,but now is even:6,so wait
even:6
i am even-thread ,but now old:7,so wait
old:7
i am old-thread ,but now is even:8,so wait
even:8

上述方法使用的是 synchronize的 wait notify機制，同樣可以使用顯示鎖來實現，兩個打印的線程還是同一個線程，只是使用的是顯示鎖來控制等待事件

private static class MyNumber{
  private Lock lock = new ReentrantLock();
  private Condition condition = lock.newCondition();
  private int val;

  public MyNumber(int val) {
    this.val = val;
  }

  public int getVal() {
    return val;
  }
  public void increase(){
    lock.lock();
    try {
      val++;
      condition.signalAll(); //通知線程
    }finally {
      lock.unlock();
    }

  }
  public void waitToOld(){
    lock.lock();
    try{
      while ((val % 2)==0){
        try {
          System.out.println("i am should print old ,but now is even:"+val+",so wait");
          condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  public void waitToEven(){
    lock.lock(); //顯示的鎖定
    try{
      while ((val % 2)!=0){
        try {
          System.out.println("i am should print even ,but now old:"+val+",so wait");
          condition.await();//執行等待
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }finally {
      lock.unlock(); //顯示的釋放
    }

  }
}

同樣可以得到上述的效果

顯示鎖的功能

顯示鎖在java中通過接口Lock提供如下功能

lock: 線程無法獲取鎖會進入休眠狀態，直到獲取成功

lockInterruptibly: 如果獲取成功，立即返回，否則一直休眠到線程被中斷或者是獲取成功
tryLock：不會造成線程休眠，方法執行會立即返回，獲取到了鎖，返回true,否則返回false
tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException : 在等待時間內沒有發生過中斷，並且沒有獲取鎖，就一直等待，當獲取到了，或者是線程中斷了，或者是超時時間到了這三者發生一個就返回，並記錄是否有獲取到鎖
unlock：釋放鎖
newCondition：每次調用創建一個鎖的等待條件，也就是說一個鎖可以擁有多個條件

Condition的功能

接口Condition把Object的監視器方法wait和notify分離出來，使得一個對象可以有多個等待的條件來執行等待，配合Lock的newCondition來實現。

await:使當前線程休眠，不可調度。這四種情況下會恢復 1：其它線程調用了signal，當前線程恰好被選中了恢復執行;2: 其它線程調用了signalAll;3:其它線程中斷了當前線程 4：spurious wakeup (假醒)。無論什麼情況，在await方法返回之前，當前線程必須重新獲取鎖
awaitUninterruptibly:使當前線程休眠，不可調度。這三種情況下會恢復 1：其它線程調用了signal，當前線程恰好被選中了恢復執行;2: 其它線程調用了signalAll;3：spurious wakeup (假醒)。
awaitNanos:使當前線程休眠，不可調度。這四種情況下會恢復 1：其它線程調用了signal，當前線程恰好被選中了恢復執行;2: 其它線程調用了signalAll;3:其它線程中斷了當前線程 4：spurious wakeup (假醒)。5:超時了
await(long time, TimeUnit unit) ：與awaitNanos類似，只是換了個時間單位
awaitUntil(Date deadline):與awaitNanos相似，只是指定日期之後返回，而不是指定的一段時間
signal:喚醒一個等待的線程
signalAll:喚醒所有等待的線程

ReentrantLock

從源碼中可以看到，ReentrantLock的所有實現全都依賴於內部類Sync和ConditionObject。

Sync本身是個抽象類，負責手動lock和unlock,ConditionObject則實現在父類AbstractOwnableSynchronizer中，負責await與signal

Sync的繼承結構如下

Sync的兩個實現類，公平鎖和非公平鎖

公平的鎖會把權限給等待時間最長的線程來執行,非公平則獲取執行權限的線程與線程本身的等待時間無關

默認初始化ReentrantLock使用的是非公平鎖，當然可以通過指定參數來使用公平鎖

public ReentrantLock() {
  sync = new NonfairSync();
}

當執行獲取鎖時，實際就是去執行 Sync 的lock操作：

public void lock() {
  sync.lock();
}

對應在不同的鎖機制中有不同的實現

1、公平鎖實現

final void lock() {
  acquire(1);
}

2、非公平鎖實現

final void lock() {
  if (compareAndSetState(0, 1)) //先看當前鎖是不是已經被佔有了，如果沒有，就直接將當前線程設置爲佔有的線程
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
  else    
    acquire(1); //鎖已經被佔有的情況下，嘗試獲取
}

二者都調用父類AbstractQueuedSynchronizer的方法

public final void acquire(int arg) {
  if (!tryAcquire(arg) &&
    acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) //一旦搶失敗，就會進入隊列，進入隊列後則是依據FIFO的原則來執行喚醒
    selfInterrupt();
}

當執行unlock時，對應方法在父類AbstractQueuedSynchronizer中

public final boolean release(int arg) {
  if (tryRelease(arg)) {
    Node h = head;
    if (h != null && h.waitStatus != 0)
      unparkSuccessor(h);
    return true;
  }
  return false;
}

公平鎖和非公平鎖則分別對獲取鎖的方式tryAcquire 做了實現，而tryRelease的實現機制則都是一樣的

公平鎖實現tryAcquire

源碼如下

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  final Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState(); //獲取當前的同步狀態
  if (c == 0) {
    //等於0 表示沒有被其它線程獲取過鎖
    if (!hasQueuedPredecessors() &&
      compareAndSetState(0, acquires)) {
      //hasQueuedPredecessors 判斷在當前線程的前面是不是還有其它的線程，如果有，也就是鎖sync上有一個等待的線程，那麼它不能獲取鎖，這意味着，只有等待時間最長的線程能夠獲取鎖，這就是是公平性的體現
      //compareAndSetState 看當前在內存中存儲的值是不是真的是0，如果是0就設置成accquires的取值。對於JAVA，這種需要直接操作內存的操作是通過unsafe來完成，具體的實現機制則依賴於操作系統。
      //存儲獲取當前鎖的線程
      setExclusiveOwnerThread(current);
      return true;
    }
  }
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    //判斷是不是當前線程獲取的鎖
    int nextc = c + acquires;
    if (nextc < 0)//一個線程能夠獲取同一個鎖的次數是有限制的，就是int的最大值
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(nextc); //在當前的基礎上再增加一次鎖被持有的次數
    return true;
  }
  //鎖被其它線程持有，獲取失敗
  return false;
}

非公平鎖實現tryAcquire

獲取的關鍵實現爲nonfairTryAcquire,源碼如下

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
  final Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState();
  if (c == 0) {
    //鎖沒有被持有
    //可以看到這裏會無視sync queue中是否有其它線程，只要執行到了當前線程，就會去獲取鎖
    if (compareAndSetState(0, acquires)) { 
      setExclusiveOwnerThread(current); //在判斷一次是不是鎖沒有被佔有，沒有就去標記當前線程擁有這個鎖了
      return true;
    }
  }
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    int nextc = c + acquires; 
    if (nextc < 0) // overflow      
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(nextc);//如果當前線程已經佔有過，增加佔有的次數
    return true;
  }
  return false;
}

釋放鎖的機制

protected final boolean tryRelease(int releases) {
  int c = getState() - releases;
  if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) //只能是線程擁有這釋放
    throw new IllegalMonitorStateException();
  boolean free = false;
  if (c == 0) {
    //當佔有次數爲0的時候，就認爲所有的鎖都釋放完畢了
    free = true; 
    setExclusiveOwnerThread(null);
  }
  setState(c); //更新鎖的狀態
  return free;
}

從源碼的實現可以看到

ReentrantLock獲取鎖時，在鎖已經被佔有的情況下，如果佔有鎖的線程是當前線程，那麼允許重入，即再次佔有，如果由其它線程佔有，則獲取失敗，由此可見，ReetrantLock本身對鎖的持有是可重入的,同時是線程獨佔的。

公平與非公平就體現在，當執行的線程去獲取鎖的時候，公平的會去看是否有等待時間比它更長的，而非公平的就優先直接去佔有鎖

ReentrantLock的tryLock()與tryLock(long timeout, TimeUnit unit):

public boolean tryLock() {
//本質上就是執行一次非公平的搶鎖
return sync.nonfairTryAcquire(1); 
}

有時限的tryLock核心代碼是 sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));，由於有超時時間，它會直接放到等待隊列中，他與後面要講的AQS的lock原理中acquireQueued的區別在於park的時間是有限的，詳見源碼 AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireNanos

爲什麼需要顯示鎖

內置鎖功能上有一定的侷限性，它無法響應中斷，不能設置等待的時間

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持神馬文庫。

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