Java中的Lock详解

发布：2023/8/10 16:31:58作者：管理员来源：本站浏览次数：592

一、简介

java.util.concurrent.locks.Lock 是一个类似于synchronized 块的线程同步机制。但是 Lock比 synchronized 块更加灵活。Lock是个接口，有个实现类是ReentrantLock。

二、Lock和syncronized的区别

synchronized是Java语言的关键字。Lock是一个接口。

synchronized不需要用户去手动释放锁，发生异常或者线程结束时自动释放锁;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。

lock可以配置公平策略,实现线程按照先后顺序获取锁。

提供了trylock方法可以试图获取锁，获取到或获取不到时，返回不同的返回值让程序可以灵活处理。

lock()和unlock()可以在不同的方法中执行,可以实现同一个线程在上一个方法中lock()在后续的其他方法中unlock(),比syncronized灵活的多。

三、Lock接口抽象方法

void lock()：获取锁，如果锁不可用，则出于线程调度的目的，当前线程将被禁用，并且在获取锁之前处于休眠状态。

Lock lock = ...;

lock.lock();

try{

//处理任务

}catch(Exception ex){

}finally{

lock.unlock(); //释放锁

}

boolean tryLock()：如果锁可用立即返回true，如果锁不可用立即返回false；

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：如果锁可用，则此方法立即返回true。如果该锁不可用，则当前线程将出于线程调度目的而被禁用并处于休眠状态，直到发生以下三种情况之一为止：①当前线程获取到该锁；②当前线程被其他线程中断，并且支持中断获取锁；③经过指定的等待时间如果获得了锁，则返回true，没获取到锁返回false。

Lock lock = ...;

if(lock.tryLock()) {

try{

//处理任务

}catch(Exception ex){

}finally{

lock.unlock(); //释放锁

}

}else {

//如果不能获取锁，则直接做其他事情

}

void unlock()：释放锁。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。

四、ReentrantLock

重入锁也叫做递归锁，指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。避免死锁问题的,synchronized也可重入。

4.1、synchronized重入测试

public class ReentrantDemo {

public synchronized void method1() {

System.out.println("synchronized method1");

method2();

}

public synchronized void method2() {

System.out.println("synchronized method2");

}

public static void main(String[] args) {

ReentrantDemo reentrantDemo = new ReentrantDemo();

reentrantDemo.method1();

}

执行结果

在这里插入图片描述

4.2、ReentrantLock重入测试

public class ReentrantDemo implements Runnable {

Lock lock = new ReentrantLock();

@Override

public void run() {

set();

}

public void set() {

try {

lock.lock();

System.out.println("set 方法");

get();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

} finally {

lock.unlock();// 必须在finally中释放

}

public void get() {

try {

lock.lock();

System.out.println("get 方法");

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

} finally {

lock.unlock();

}

public static void main(String[] args) {

ReentrantDemo reentrantDemo = new ReentrantDemo();

new Thread(reentrantDemo).start();

}

测试结果：同一个线程，首先在set方法中获取锁，然后调用get方法，get方法中重复获取同一个锁。两个方法都执行成功。

在这里插入图片描述

五、ReentrantReadWriteLock（读写锁）

读写锁，可以分别获取读锁或写锁。也就是说将数据的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。读锁使用共享模式；写锁使用独占模式；读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。当有读锁时，写锁就不能获得；而当有写锁时，除了获得写锁的这个线程可以获得读锁外，其他线程不能获得读锁

writeLock()：获取写锁。

readLock()：获取读锁。

执行三个线程进行读写操作，并设置一个屏障，线程依次准备就绪后未获取锁之前都在等待，当第三个线程执行 cyclicBarrier.await();后屏障解除，三个线程同时执行。

public class WriteAndReadLockTest {

private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

private static ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10,

60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);

private static int i = 100;

public static void main(String[] args) {

threadPoolExecutor.execute(()->{

read(Thread.currentThread());

});

threadPoolExecutor.execute(()->{

write(Thread.currentThread());

});

threadPoolExecutor.execute(()->{

read(Thread.currentThread());

});

threadPoolExecutor.shutdown();

}

private static void read(Thread thread) {

try {

cyclicBarrier.await();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} catch (BrokenBarrierException e) {

e.printStackTrace();

}

reentrantReadWriteLock.readLock().lock();

try {

System.out.println("读线程 "+ thread.getName() + " 开始执行, i=" + i);

Thread.sleep(1000);

System.out.println(thread.getName() +" is over!");

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

reentrantReadWriteLock.readLock().unlock();

}

private static void write(Thread thread) {

try {

cyclicBarrier.await();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} catch (BrokenBarrierException e) {

e.printStackTrace();

}

reentrantReadWriteLock.writeLock().lock();

try {

i++;

System.out.println("写线程 "+ thread.getName() + " is doing, i=" + i);

System.out.println(thread.getName() +" is over!");

} finally {

reentrantReadWriteLock.writeLock().unlock();

}

执行结果：线程1先获取到了读锁，因为读锁时可以共享的，所有线程3也可以获取到读锁，线程1、3读操作完成后将读锁释放后，线程2才能获取到写锁并开始执行写操作。

在这里插入图片描述

六、公平锁与非公平锁

公平锁：就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照FIFO的规则从队列中取到自己

非公平锁：比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式

6.1、如何实现

ReentrantLock：模式是非公平锁。也可通过构造方法创建公平锁；

public ReentrantLock() {

sync = new NonfairSync();

}

public ReentrantLock(boolean fair) {

sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

}

ReentrantReadWriteLock：默认是非公平锁，也可以通过构造方法创建公平锁；

public ReentrantReadWriteLock() {

this(false);

}

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {

sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();

readerLock = new ReadLock(this);

writerLock = new WriteLock(this);

}

6.2、优缺点

非公平锁性能高于公平锁性能。首先，在恢复一个被挂起的线程与该线程真正运行之间存在着严重的延迟。而且，非公平锁能更充分的利用cpu的时间片，尽量的减少cpu空闲的状态时间。

七、Condition的使用

当满足一定条件时，调用Condition的await()方法使当前线程进入休眠状态进行等待。调用Condition的signalAll()方法唤醒因await()进入休眠的线程。

Lock锁实现同步时需要使用者手动控制锁的获取和释放，其灵活性使得可以实现更复杂的多线程同步和更高的性能，但同时，使用者一定要在获取锁后及时捕获代码运行过程中的异常并在finally代码块中释放锁。

使用Lock锁及其同步条件来实现一个生产者-消费者模型：

public class MessageStorageByLock {

private int maxSize;

private List<String> messages;

private final ReentrantLock lock;

private final Condition conditionWrite;//声明两个锁条件

private final Condition conditionRead;

public MessageStorageByLock(int maxSize) {

this.maxSize = maxSize;

messages = new LinkedList<String>();

lock = new ReentrantLock(true);//true修改锁的公平性，为true时，使用lifo队列来顺序获得锁

conditionWrite = lock.newCondition();//调用newCondition()方法，即new ConditionObject();

conditionRead = lock.newCondition();

}

public void set(String message){

//使用锁实现同步，获取所得操作，当锁被其他线程占用时，当前线程将进入休眠

lock.lock();

try{

while(messages.size() == maxSize){

System.out.print("the message buffer is full now,start into wait()\n");

conditionWrite.await();//满足条件时，线程休眠并释放锁。当调用 signalAll()时。线程唤醒并重新获得锁

}

Thread.sleep(100);

messages.add(message);

System.out.print("add message:"+message+" success\n");

conditionRead.signalAll();//唤醒因conditionRead.await()休眠的线程

}catch (InterruptedException e){

e.printStackTrace();

}finally {

lock.unlock();

}

public String get(){

String message = null;

lock.lock();

try{

while(messages.size() == 0){

conditionRead.await();

System.out.print("the message buffer is empty now,start into wait()\n");

}

Thread.sleep(100);

message = ((LinkedList<String>)messages).poll();

System.out.print("get message:"+message+" success\n");

conditionWrite.signalAll();

}catch (InterruptedException e){

e.printStackTrace();

}finally {

lock.unlock();

}

return message;

}

Modifier and Type Method and Description

void

lock()

获得锁

void lockInterruptibly()

获取锁定，除非当前线程是 interrupted 。

Condition newCondition()

返回一个新Condition绑定到该实例Lock实例。

boolean tryLock()

只有在调用时才可以获得锁。

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)

如果在给定的等待时间内是空闲的，并且当前的线程尚未得到 interrupted，则获取该锁。

void

unlock();

释放锁

package java.util.concurrent.locks;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public interface Lock {

void lock();

void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

boolean tryLock();

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

void unlock();

Condition newCondition();

}

package java.util.concurrent.locks;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import java.util.Date;

public interface Condition {

void await() throws InterruptedException;

void awaitUninterruptibly();

long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

void signal();

void signalAll();

}

八、代码举例

8.1、Demo1（先演示一下锁的可重入性）

package com.szh.lock;

/**

* 演示锁的可重入性

public class Test01 {

public synchronized void metthod1() {

System.out.println("同步方法1");

//线程执行 metthod1() 方法,默认 this 作为锁对象,

//在 metthod1() 方法中调用了 method2() 方法,注意当前线程还是持有 this 锁对象的

//method2() 同步方法默认的锁对象也是 this 对象, 要执行 method2() 必须先获得 this 锁对象,

//当前 this 对象被当前线程持有,可以再次获得 this 对象, 这就是锁的可重入性.

//假设锁不可重入的话,可能会造成死锁

method2();

}

public synchronized void method2() {

System.out.println("同步方法2");

method3();

}

public synchronized void method3() {

System.out.println("同步方法3");

}

public static void main(String[] args) {

Test01 obj=new Test01();

new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

obj.metthod1();

}

}).start();

}

运行结果

8.2、Demo2（ReentrantLock的基本使用）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* ReentrantLock 的基本使用

public class Test02 {

//定义一个显示锁

static Lock lock=new ReentrantLock();

public static void method() {

//先获得锁

lock.lock();

//for循环此时就是同步代码块

for (int i = 0; i < 3; i++) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---> " + i);

}

//释放锁

lock.unlock();

}

public static void main(String[] args) {

Runnable r=new Runnable() {

@Override

public void run() {

method();

}

};

//启动三个线程

new Thread(r).start();

}

运行结果

8.3、Demo3（使用Lock锁同步不同方法中的代码块）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 使用 Lock 锁同步不同方法中的同步代码块

public class Test03 {

//定义锁对象

static Lock lock=new ReentrantLock();

public static void method1() {

//经常在 try 代码块中获得 Lock 锁, 在 finally 子句中释放锁

try {

lock.lock(); //获得锁

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method1--- " + System.currentTimeMillis());

Thread.sleep(1000);

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method1--- " + System.currentTimeMillis());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

lock.unlock(); //释放锁

}

public static void method2() {

//经常在 try 代码块中获得 Lock 锁, 在 finally 子句中释放锁

try {

lock.lock(); //获得锁

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method2--- " + System.currentTimeMillis());

Thread.sleep(1000);

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " ---method2--- " + System.currentTimeMillis());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

lock.unlock(); //释放锁

}

public static void main(String[] args) {

Runnable r1=new Runnable() {

@Override

public void run() {

method1();

}

};

Runnable r2=new Runnable() {

@Override

public void run() {

method2();

}

};

new Thread(r1).start();

new Thread(r2).start();

}

运行结果

8.4、Demo4（ReentrantLock锁的可重入性）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* ReentrantLock 锁的可重入性

public class Test04 {

static class SubThread extends Thread {

//定义锁对象

private static Lock lock=new ReentrantLock();

//定义变量

private static int num=0;

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 10000; i++) {

try {

//可重入锁指可以反复获得该锁

lock.lock();

num++;

}finally {

lock.unlock();

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

SubThread t1=new SubThread();

SubThread t2=new SubThread();

t1.start();

t2.start();

t1.join();

t2.join();

System.out.println(SubThread.num);

}

运行结果

8.5、Demo5（ReentrantLock的lockInterruptibly()方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* lockInterruptibly()方法

* 如果当前线程未被中断则获得锁,

* 如果当前线程被中断则出现异常.

public class Test05 {

static class Service {

private Lock lock=new ReentrantLock(); //定义锁对象

public void serviceMethod() {

try {

//lock.lock(); 获得锁, 即使调用了线程的 interrupt() 方法, 也没有真正的中断线程

//如果线程被中断了, 不会获得锁, 会产生异常

lock.lockInterruptibly();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- begin lock");

//执行一段耗时的操作

for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {

new StringBuilder();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- end lock");

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " === 释放锁");

lock.unlock(); //释放锁

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Service s=new Service();

Runnable r=new Runnable() {

@Override

public void run() {

s.serviceMethod();

}

};

Thread t1=new Thread(r);

t1.start();

Thread.sleep(50);

Thread t2=new Thread(r);

t2.start();

Thread.sleep(50);

t2.interrupt(); //中断 t2 线程

}

运行结果

8.6、Demo6（lockInterruptibly()方法可以避免死锁）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 通过 ReentrantLock 锁的 lockInterruptibly() 方法避免死锁的产生

public class Test06 {

static class MyLock implements Runnable {

//创建两个ReentrantLock等锁对象

private static ReentrantLock lock1=new ReentrantLock();

private static ReentrantLock lock2=new ReentrantLock();

int lockNum; //定义整数变量,决定使用哪个锁,偶数用lock1,奇数用lock2

public MyLock(int lockNum) {

this.lockNum=lockNum;

}

@Override

public void run() {

try {

if (lockNum % 2 == 1) { //奇数, 先锁 1, 再锁 2

lock1.lockInterruptibly();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁1，还需要获得锁2");

Thread.sleep(1000);

lock2.lockInterruptibly();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2");

}else { //偶数, 先锁 2, 再锁 1

lock2.lockInterruptibly();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁2，还需要获得锁1");

Thread.sleep(1000);

lock1.lockInterruptibly();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2");

}

}catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

if (lock1.isHeldByCurrentThread()) { //判断当前线程是否持有该锁

lock1.unlock();

}

if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {

lock2.unlock();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程退出");

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

MyLock myLock1=new MyLock(11);

MyLock myLock2=new MyLock(22);

Thread t1=new Thread(myLock1);

Thread t2=new Thread(myLock2);

t1.start();

t2.start();

//在 main 线程, 等待 3000 ms, 如果还有线程没有结束就中断该线程

Thread.sleep(1000 * 3);

//可以中断任何一个线程来解决死锁, t2 线程会放弃对锁 1 的申请, 同时释放锁 2, t1 线程会完成它的任务

if (t2.isAlive()) {

t2.interrupt();

}

运行结果

8.7、Demo7（ReentrantLock的tryLock(long time, TimeUnit unit)方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* tryLock(long time, TimeUnit unit) 的作用在给定等待时长内,

* 锁没有被另外的线程持有, 并且当前线程也没有被中断, 则获得该锁.

* 通过该方法可以实现锁对象的限时等待.

public class Test07 {

static class TimeLock implements Runnable {

private static ReentrantLock lock=new ReentrantLock(); //定义锁对象

@Override

public void run() {

try {

//假设 t1 线程先持有锁, 完成任务需要 4 秒钟,

//这个时候 t2 线程尝试获得锁, t2 线程在 3 秒内还没有获得锁的话, 那么它就不再等了，直接放弃

if (lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁，执行耗时任务");

Thread.sleep(1000 * 4);

假设 t1 线程先持有锁, 完成任务需要 2 秒钟

这个时候t2 线程尝试获得锁, t2 线程会一直尝试

在它约定尝试的 3 秒内可以获得锁对象

//Thread.sleep(1000 * 2);

}else {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有获得锁");

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

if (lock.isHeldByCurrentThread()) {

lock.unlock();

}

public static void main(String[] args) {

TimeLock timeLock=new TimeLock();

Thread t1=new Thread(timeLock);

Thread t2=new Thread(timeLock);

t1.setName("t1");

t2.setName("t2");

t1.start();

t2.start();

}

运行结果

8.8、Demo8（ReentrantLock的tryLock()方法）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* tryLock() 当锁对象没有被其他线程持有的情况下, 才会获得该锁定

public class Test08 {

static class Service {

private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();

public void serviceMethod() {

try {

if (lock.tryLock()) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁定");

Thread.sleep(1000 * 3); //模拟执行任务的时长

}else {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有获得锁定");

}

}catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}finally {

if (lock.isHeldByCurrentThread()) {

lock.unlock();

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Service service=new Service();

Runnable r=new Runnable() {

@Override

public void run() {

service.serviceMethod();

}

};

Thread t1=new Thread(r);

t1.start();

Thread.sleep(100);

Thread t2=new Thread(r);

t2.start();

}

运行结果

8.9、Demo9（tryLock()方法可以避免死锁）

package com.szh.lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**

* 使用 tryLock() 可以避免死锁

public class Test09 {

static class MyLock implements Runnable {

private static ReentrantLock lock1=new ReentrantLock();

private static ReentrantLock lock2=new ReentrantLock();

private int lockNum;

public MyLock(int lockNum) {

this.lockNum=lockNum;

}

@Override

public void run() {

if (lockNum % 2 == 0) { //偶数先锁 1, 再锁 2

while (true) {

try {

if (lock1.tryLock()) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁1，还想获得锁2");

Thread.sleep(50);

try {

if (lock2.tryLock()) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2，完成任务了");

return;

}

} finally {

if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {

lock2.unlock();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {

lock1.unlock();

}

}else { //奇数就先锁 2, 再锁 1

while (true) {

try {

if (lock2.tryLock()) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁2，还想获得锁1");

Thread.sleep(50);

try {

if (lock1.tryLock()) {

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "同时获得了锁1与锁2，完成任务了");

return;

}

} finally {

if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {

lock1.unlock();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

} finally {

if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {

lock2.unlock();

}

public static void main(String[] args) {

MyLock lock1=new MyLock(11);

MyLock lock2=new MyLock(22);

Thread t1=new Thread(lock1);

Thread t2=new Thread(lock2);

t1.start();

t2.start();

//运行后, 使用 tryLock() 尝试获得锁, 不会傻傻的等待, 通过循环不停的再次尝试, 如果等待的时间足够长, 线程总是会获得想要的资源

}

运行结果

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