【Java并发编程】之二十：并发新特性—Lock锁和条件变量（含代码）

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简单使用Lock锁

    Java 5中引入了新的锁机制——java.util.concurrent.locks中的显式的互斥锁：Lock接口，它提供了比synchronized更加广泛的锁定操作。Lock接口有3个实现它的类：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入锁、读锁和写锁。lock必须被显式地创建、锁定和释放，为了可以使用更多的功能，一般用ReentrantLock为其实例化。为了保证锁最终一定会被释放（可能会有异常发生），要把互斥区放在try语句块内，并在finally语句块中释放锁，尤其当有return语句时，return语句必须放在try字句中，以确保unlock（）不会过早发生，从而将数据暴露给第二个任务。因此，采用lock加锁和释放锁的一般形式如下：

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1. Lock lock = new ReentrantLock();//默认使用非公平锁，如果要使用公平锁，需要传入参数true  
2. ........  
3. lock.lock();  
4. try {  
5.      //更新对象的状态  
6.     //捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束  
7.    //如果有return语句，放在这里  
8.  finally {  
9.        lock.unlock();        //锁必须在finally块中释放  

ReetrankLock与synchronized比较

    性能比较

    在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的Lock对象，性能更高一些。Brian Goetz对这两种锁在JDK1.5、单核处理器及双Xeon处理器环境下做了一组吞吐量对比的实验，发现多线程环境下，synchronized的吞吐量下降的非常严重，而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。但与其说ReetrantLock性能好，倒不如说synchronized还有非常大的优化余地，于是到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

    下面浅析以下两种锁机制的底层的实现策略。

    互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因而这种同步又称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。synchronized采用的便是这种并发策略。

    随着指令集的发展，我们有了另一种选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地讲就是先进性操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据被争用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重拾，直到试成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock采用的便是这种并发策略。

    在乐观的并发策略中，需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，它靠硬件指令来保证，这里用的是CAS操作（Compare and Swap）。JDK1.5之后，Java程序才可以使用CAS操作。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState，这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。现代的CPU提供了指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法，意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。

    Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性变量类，它们提供的如：compareAndSet（）、incrementAndSet（）和getAndIncrement（）等方法都使用了CAS操作。因此，它们都是由硬件指令来保证的原子方法。

   用途比较

    基本语法上，ReentrantLock与synchronized很相似，它们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别而已，一个表现为API层面的互斥锁（Lock），一个表现为原生语法层面的互斥锁（synchronized）。ReentrantLock相对synchronized而言还是增加了一些高级功能，主要有以下三项：

    1、等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。而在等待由synchronized产生的互斥锁时，会一直阻塞，是不能被中断的。

    2、可实现公平锁：多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序排队等待，而非公平锁则不保证这点，在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁时非公平锁，ReentrantLock默认情况下也是非公平锁，但可以通过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。

    3、锁可以绑定多个条件：ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象（名曰：条件变量或条件队列），而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含条件，但如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一起的其他线程）。

可中断锁

    ReetrantLock有两种锁：忽略中断锁和响应中断锁。忽略中断锁与synchronized实现的互斥锁一样，不能响应中断，而响应中断锁可以响应中断。

    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，如果此时ReetrantLock提供的是忽略中断锁，则它不会去理会该中断，而是让线程B继续等待，而如果此时ReetrantLock提供的是响应中断锁，那么它便会处理中断，让线程B放弃等待，转而去处理其他事情。

获得响应中断锁的一般形式如下：

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1. ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
2. ...........  
3. lock.lockInterruptibly();//获取响应中断锁  
4. try {  
5.       //更新对象的状态  
6.       //捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束  
7.       //如果有return语句，放在这里  
8. }finally{  
9.     lock.unlock();        //锁必须在finally块中释放  
10. }  

    这里有一个不错的分析中断的示例代码（摘自网上）

    当用synchronized中断对互斥锁的等待时，并不起作用，该线程依然会一直等待，如下面的实例：

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1. public class Buffer {  
2.   
3.     private Object lock;  
4.   
5.     public Buffer() {  
6.         lock = this;  
7.     }  
8.   
9.     public void write() {  
10.         synchronized (lock) {  
11.             long startTime = System.currentTimeMillis();  
12.             System.out.println("开始往这个buff写入数据…");  
13.             for (;;)// 模拟要处理很长时间      
14.             {  
15.                 if (System.currentTimeMillis()  
16.                         - startTime > Integer.MAX_VALUE) {  
17.                     break;  
18.                 }  
19.             }  
20.             System.out.println("终于写完了");  
21.         }  
22.     }  
23.   
24.     public void read() {  
25.         synchronized (lock) {  
26.             System.out.println("从这个buff读数据");  
27.         }  
28.     }  
29.   
30.     public static void main(String[] args) {  
31.         Buffer buff = new Buffer();  
32.   
33.         final Writer writer = new Writer(buff);  
34.         final Reader reader = new Reader(buff);  
35.   
36.         writer.start();  
37.         reader.start();  
38.   
39.         new Thread(new Runnable() {  
40.   
41.             @Override  
42.             public void run() {  
43.                 long start = System.currentTimeMillis();  
44.                 for (;;) {  
45.                     //等5秒钟去中断读      
46.                     if (System.currentTimeMillis()  
47.                             - start > 5000) {  
48.                         System.out.println("不等了，尝试中断");  
49.                         reader.interrupt();  //尝试中断读线程  
50.                         break;  
51.                     }  
52.   
53.                 }  
54.   
55.             }  
56.         }).start();  
57.         // 我们期待“读”这个线程能退出等待锁，可是事与愿违，一旦读这个线程发现自己得不到锁，  
58.         // 就一直开始等待了，就算它等死，也得不到锁，因为写线程要21亿秒才能完成 T_T ，即使我们中断它，  
59.         // 它都不来响应下，看来真的要等死了。这个时候，ReentrantLock给了一种机制让我们来响应中断，  
60.         // 让“读”能伸能屈，勇敢放弃对这个锁的等待。我们来改写Buffer这个类，就叫BufferInterruptibly吧，可中断缓存。  
61.     }  
62. }  
63.   
64. class Writer extends Thread {  
65.   
66.     private Buffer buff;  
67.   
68.     public Writer(Buffer buff) {  
69.         this.buff = buff;  
70.     }  
71.   
72.     @Override  
73.     public void run() {  
74.         buff.write();  
75.     }  
76. }  
77.   
78. class Reader extends Thread {  
79.   
80.     private Buffer buff;  
81.   
82.     public Reader(Buffer buff) {  
83.         this.buff = buff;  
84.     }  
85.   
86.     @Override  
87.     public void run() {  
88.   
89.         buff.read();//这里估计会一直阻塞      
90.   
91.         System.out.println("读结束");  
92.   
93.     }  
94. }  

    执行结果如下：

    我们等待了很久，后面依然没有输出，说明读线程对互斥锁的等待并没有被中断，也就是该户吃锁没有响应对读线程的中断。

    我们再将上面代码中synchronized的互斥锁改为ReentrantLock的响应中断锁，即改为如下代码：  

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1. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
2.   
3. public class BufferInterruptibly {  
4.   
5.     private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
6.   
7.     public void write() {  
8.         lock.lock();  
9.         try {  
10.             long startTime = System.currentTimeMillis();  
11.             System.out.println("开始往这个buff写入数据…");  
12.             for (;;)// 模拟要处理很长时间      
13.             {  
14.                 if (System.currentTimeMillis()  
15.                         - startTime > Integer.MAX_VALUE) {  
16.                     break;  
17.                 }  
18.             }  
19.             System.out.println("终于写完了");  
20.         } finally {  
21.             lock.unlock();  
22.         }  
23.     }  
24.   
25.     public void read() throws InterruptedException {  
26.         lock.lockInterruptibly();// 注意这里，可以响应中断      
27.         try {  
28.             System.out.println("从这个buff读数据");  
29.         } finally {  
30.             lock.unlock();  
31.         }  
32.     }  
33.   
34.     public static void main(String args[]) {  
35.         BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly();  
36.   
37.         final Writer2 writer = new Writer2(buff);  
38.         final Reader2 reader = new Reader2(buff);  
39.   
40.         writer.start();  
41.         reader.start();  
42.   
43.         new Thread(new Runnable() {  
44.   
45.             @Override  
46.             public void run() {  
47.                 long start = System.currentTimeMillis();  
48.                 for (;;) {  
49.                     if (System.currentTimeMillis()  
50.                             - start > 5000) {  
51.                         System.out.println("不等了，尝试中断");  
52.                         reader.interrupt();  //此处中断读操作  
53.                         break;  
54.                     }  
55.                 }  
56.             }  
57.         }).start();  
58.   
59.     }  
60. }  
61.   
62. class Reader2 extends Thread {  
63.   
64.     private BufferInterruptibly buff;  
65.   
66.     public Reader2(BufferInterruptibly buff) {  
67.         this.buff = buff;  
68.     }  
69.   
70.     @Override  
71.     public void run() {  
72.   
73.         try {  
74.             buff.read();//可以收到中断的异常，从而有效退出      
75.         } catch (InterruptedException e) {  
76.             System.out.println("我不读了");  
77.         }  
78.   
79.         System.out.println("读结束");  
80.   
81.     }  
82. }  
83.   
84. class Writer2 extends Thread {  
85.   
86.     private BufferInterruptibly buff;  
87.   
88.     public Writer2(BufferInterruptibly buff) {  
89.         this.buff = buff;  
90.     }  
91.   
92.     @Override  
93.     public void run() {  
94.         buff.write();  
95.     }  
96.       
97. }  

    执行结果如下：

    从结果中可以看出，尝试中断后输出了catch语句块中的内容，也输出了后面的“读结束”，说明线程对互斥锁的等待被中断了，也就是该互斥锁响应了对读线程的中断。

条件变量实现线程间协作

    在生产者——消费者模型一文中，我们用synchronized实现互斥，并配合使用Object对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法来实现线程间协作。Java 5之后，我们可以用Reentrantlock锁配合Condition对象上的await（）和signal（）或signalAll（）方法来实现线程间协作。在ReentrantLock对象上newCondition（）可以得到一个Condition对象，可以通过在Condition上调用await（）方法来挂起一个任务（线程），通过在Condition上调用signal（）来通知任务，从而唤醒一个任务，或者调用signalAll（）来唤醒所有在这个Condition上被其自身挂起的任务。另外，如果使用了公平锁，signalAll（）的与Condition关联的所有任务将以FIFO队列的形式获取锁，如果没有使用公平锁，则获取锁的任务是随机的，这样我们便可以更好地控制处在await状态的任务获取锁的顺序。与notifyAll（）相比，signalAll（）是更安全的方式。另外，它可以指定唤醒与自身Condition对象绑定在一起的任务。

    下面将生产者——消费者模型一文中的代码改为用条件变量实现，如下：

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1. import java.util.concurrent.*;  
2. import java.util.concurrent.locks.*;  
3.   
4. class Info{ // 定义信息类  
5.     private String name = "name";//定义name属性，为了与下面set的name属性区别开  
6.     private String content = "content" ;// 定义content属性，为了与下面set的content属性区别开  
7.     private boolean flag = true ;   // 设置标志位,初始时先生产  
8.     private Lock lock = new ReentrantLock();    
9.     private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象  
10.     public  void set(String name,String content){  
11.         lock.lock();  
12.         try{  
13.             while(!flag){  
14.                 condition.await() ;  
15.             }  
16.             this.setName(name) ;    // 设置名称  
17.             Thread.sleep(300) ;  
18.             this.setContent(content) ;  // 设置内容  
19.             flag  = false ; // 改变标志位，表示可以取走  
20.             condition.signal();  
21.         }catch(InterruptedException e){  
22.             e.printStackTrace() ;  
23.         }finally{  
24.             lock.unlock();  
25.         }  
26.     }  
27.   
28.     public void get(){  
29.         lock.lock();  
30.         try{  
31.             while(flag){  
32.                 condition.await() ;  
33.             }     
34.             Thread.sleep(300) ;  
35.             System.out.println(this.getName() +   
36.                 " --> " + this.getContent()) ;  
37.             flag  = true ;  // 改变标志位，表示可以生产  
38.             condition.signal();  
39.         }catch(InterruptedException e){  
40.             e.printStackTrace() ;  
41.         }finally{  
42.             lock.unlock();  
43.         }  
44.     }  
45.   
46.     public void setName(String name){  
47.         this.name = name ;  
48.     }  
49.     public void setContent(String content){  
50.         this.content = content ;  
51.     }  
52.     public String getName(){  
53.         return this.name ;  
54.     }  
55.     public String getContent(){  
56.         return this.content ;  
57.     }  
58. }  
59. class Producer implements Runnable{ // 通过Runnable实现多线程  
60.     private Info info = null ;      // 保存Info引用  
61.     public Producer(Info info){  
62.         this.info = info ;  
63.     }  
64.     public void run(){  
65.         boolean flag = true ;   // 定义标记位  
66.         for(int i=0;i<10;i++){  
67.             if(flag){  
68.                 this.info.set("姓名--1","内容--1") ;    // 设置名称  
69.                 flag = false ;  
70.             }else{  
71.                 this.info.set("姓名--2","内容--2") ;    // 设置名称  
72.                 flag = true ;  
73.             }  
74.         }  
75.     }  
76. }  
77. class Consumer implements Runnable{  
78.     private Info info = null ;  
79.     public Consumer(Info info){  
80.         this.info = info ;  
81.     }  
82.     public void run(){  
83.         for(int i=0;i<10;i++){  
84.             this.info.get() ;  
85.         }  
86.     }  
87. }  
88. public class ThreadCaseDemo{  
89.     public static void main(String args[]){  
90.         Info info = new Info(); // 实例化Info对象  
91.         Producer pro = new Producer(info) ; // 生产者  
92.         Consumer con = new Consumer(info) ; // 消费者  
93.         new Thread(pro).start() ;  
94.         //启动了生产者线程后，再启动消费者线程  
95.         try{  
96.             Thread.sleep(500) ;  
97.         }catch(InterruptedException e){  
98.             e.printStackTrace() ;  
99.         }  
100.   
101.         new Thread(con).start() ;  
102.     }  
103. }  

    执行后，同样可以得到如下的结果：

姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
    从以上并不能看出用条件变量的await（）、signal（）、signalAll（）方法比用Object对象的wait（）、notify（）、notifyAll（）方法实现线程间协作有多少优点，但它在处理更复杂的多线程问题时，会有明显的优势。所以，Lock和Condition对象只有在更加困难的多线程问题中才是必须的。

读写锁

    另外，synchronized获取的互斥锁不仅互斥读写操作、写写操作，还互斥读读操作，而读读操作时不会带来数据竞争的，因此对对读读操作也互斥的话，会降低性能。Java 5中提供了读写锁，它将读锁和写锁分离，使得读读操作不互斥，获取读锁和写锁的一般形式如下：

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1. ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();      
2. rwl.writeLock().lock()  //获取写锁  
3. rwl.readLock().lock()  //获取读锁  

   用读锁来锁定读操作，用写锁来锁定写操作，这样写操作和写操作之间会互斥，读操作和写操作之间会互斥，但读操作和读操作就不会互斥。

   《Java并发编程实践》一书给出了使用 ReentrantLock的最佳时机：

    当你需要以下高级特性时，才应该使用：可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操作，公平队列，或者非块结构的锁。否则，请使用synchronized。