Java的Lock接口与读写锁

Myth丶恋晨 2022-05-20 07:54 196阅读 0赞

## 一、Lock接口与synchronized关键字 ##

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）。在Lock接口出现之前，Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的，而Java SE 5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式地获取和释放锁。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

使用synchronized关键字将会隐式地获取锁，但是它将锁的获取和释放固化了，也就是先获取再释放。当然，这种方式简化了同步的管理，可是扩展性没有显式的锁获取和释放来的好。

synchronized关键字在使用的过程中会有如下几个问题：  
1. 不可控性，无法做到随心的加锁和释放锁；  
2. 效率比较低下，比如我们现在并发的读两个文件，读与读之间是互不影响的，但如果给这个读的对象使用synchronized来实现同步的话，那么只要有一个线程进入了，那么其他的线程都要等待；  
3. 无法知道线程是否获取到了锁；

Lock是一个上层的接口，其原型如下，总共提供了6个方法：

public interface Lock { 
        // 用来获取锁，如果锁已经被其他线程获取，则一直等待，直到获取到锁
        void lock();
        // 该方法获取锁时，可以响应中断，比如现在有两个线程，一个已经获取到了锁，另一个线程调用这个方法正在等待锁
        //但是此刻又不想让这个线程一直在这死等，可以通过调用线程的Thread.interrupted()方法，来中断线程的等待过程
        void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
        // tryLock方法会返回bool值，该方法会尝试着获取锁，如果获取到锁，就返回true，如果没有获取到锁，就返回false，
        //但是该方法会立刻返回，而不会一直等待
        boolean tryLock();
        // 这个方法和上面的tryLock差不多是一样的，只是会尝试指定的时间，如果在指定的时间内拿到了锁，则会返回true，
        //如果在指定的时间内没有拿到锁，则会返回false
        boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
        // 释放锁
        void unlock();
        // 实现线程通信，相当于wait和notify，后面会单独讲解
        Condition newCondition();
    }

使用Lock是需要手动释放锁的，但是如果程序中抛出了异常，那么就无法做到释放锁，有可能引起死锁，所以我们在使用Lock的时候，有一种固定的格式，如下：

Lock l = ...;
    l.lock();
    try {
     // access the resource protected by this lock
    } finally {// 必须使用try，最后在finally里面释放锁
     l.unlock();
    }

在finally块中释放锁，目的是保证在获取到锁之后，最终能够被释放。 不要将获取锁的过程写在try块中，因为如果在获取锁（自定义锁的实现）时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故释放。

Lock接口提供的synchronized关键字所不具备的主要特性有：

1.  尝试非阻塞地获取锁，当前线程获取锁时，如果锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁；
2.  被中断地获取锁，与syncronized不同，获取到锁的线程能响应中断，当获取到锁的线程被中断时，会抛出中断异常，并释放锁；
3.  超时获取锁，在指定的截止时间前获取锁，如果时间到了仍未获取到锁，则返回；

以多线程读取文件来示例：

public class LockDemo {
        // new一个锁对象，注意此处必须声明成类对象，保持只有一把锁,ReentrantLock是Lock的唯一实现类
        Lock lock = new ReentrantLock();
        public void readFile(String fileMessage){
            lock.lock();// 上锁
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"得到了锁，正在读取文件……");
                for (int i = 0; i< fileMessage.length(); i++){
                    System.out.print(fileMessage.charAt(i));
                }
                System.out.println();
                System.out.println("文件读取完毕！");
            } finally {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放了锁！");
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            LockDemo demo = new LockDemo();
            String fileName = "H:/Java_Workspace_Console/test.txt";
            // 创建若干个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.readFile(fileName);
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.readFile(fileName);
                }
            }).start();
        }
    
    }

如果先把锁的那两行代码注释掉，看下效果如何：  
![这里写图片描述][70]  
多个线程读取到的内容错乱。  
然后我们把锁的代码加上，看下效果如何：  
![这里写图片描述][70 1]  
如果我们把上面的readFile方法前面加上synchronized关键字，然后把锁去掉，效果是一样的。  
tryLock方法的使用和Lock方法的使用类似，不做过多的说明了，代码如下：

public class TryLockDemo {
        // new一个锁对象，注意此处必须声明成类对象，保持只有一把锁,ReentrantLock是Lock的唯一实现类
        Lock lock = new ReentrantLock();
        public void readFile(String fileMessage){
            // 上锁
            if (lock.tryLock()) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"得到了锁，正在读取文件……");
                    for (int i = 0; i< fileMessage.length(); i++){
                        System.out.print(fileMessage.charAt(i));
                    }
                    System.out.println();
                    System.out.println("文件读取完毕！");
                } finally {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放了锁！");
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            TryLockDemo demo = new TryLockDemo();
            String fileName = "H:/Java_Workspace_Console/test.txt";
            // 创建若干个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.readFile(fileName);
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.readFile(fileName);
                }
            }).start();
        }
    }

## 二、读写锁 ##

ReentrantLock是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务（例如查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的接口是ReadWriteLock：

public interface ReadWriteLock {
        Lock readLock();
        Lock writeLock();
    }

该接口也有一个实现类ReentrantReadWriteLock，下面我们先看一下，多线程同时读取文件时，用synchronized实现的效果，代码如下：

public class SyncReadDemo {
        public synchronized void get(Thread thread) {
            System.out.println("start time:"+System.currentTimeMillis());
            for(int i=0; i<5; i++){
                try {
                    Thread.sleep(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(thread.getName() + ":正在进行读操作……");
            }
            System.out.println(thread.getName() + ":读操作完毕！");
            System.out.println("end time:"+System.currentTimeMillis());
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final SyncReadDemo lock = new SyncReadDemo();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.get(Thread.currentThread());
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.get(Thread.currentThread());
                }
            }).start();
        }
    }

测试结果如下：  
![这里写图片描述][70 2]  
整个过程耗时200ms

在加了synchronized关键字之后，读与读之间，也是互斥的，也就是说，必须等待Thread-0读完之后，才会轮到Thread-1线程读，而无法做到同时读文件，这种情况在大量线程同时都需要读文件的时候，效率低下。  
下面我们来测试ReadAndWriteLock的性能，代码如下：

public class ReadAndWriteLockDemo {
        ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        public void get(Thread thread) {
            lock.readLock().lock();
            try{
                System.out.println("start time:"+System.currentTimeMillis());
                for(int i=0; i<5; i++){
                    try {
                        Thread.sleep(20);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(thread.getName() + ":正在进行读操作……");
                }
                System.out.println(thread.getName() + ":读操作完毕！");
                System.out.println("end time:"+System.currentTimeMillis());
            }finally{
                lock.readLock().unlock();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            final ReadAndWriteLockDemo lock = new ReadAndWriteLockDemo();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.get(Thread.currentThread());
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    lock.get(Thread.currentThread());
                }
            }).start();
        }
    }

结果如下： !\[这里写图片描述\](https://img-blog.csdn.net/20180715140733562?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Z1emhvbmdtaW4wNQ==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70) 整个过程耗时：100ms Thread-0和Thread-1是在同时读取文件。不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。读锁和写锁是互斥的。

## 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。

## 可中断锁 ##

可中断锁：顾名思义，就是可以相应中断的锁。  
　　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。

## 公平锁 ##

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同时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，但是可以在构造函数中指定其为公平锁。  
　　公平性与否是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求的绝对时间顺序，也就是FIFO。非公平性锁可能使线程“饥饿”，为什么它又被设定成默认的实现呢？如果把每次不同线程获取到锁定义为1次切换，公平性锁为了保证锁的获取按照FIFO原则，代价是进行大量的线程切换。非公平性锁虽然可能造成线程“饥饿”，但会有更少的线程切换，保证了其更大的吞吐量。

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参考资料：《Java并发编程的艺术》第5章

[70]: /images/20220520/6b389b60c68641bc8509efacf0b298df.png
[70 1]: /images/20220520/26754ab3bcaa46be911c0f06f959cdf3.png
[70 2]: /images/20220520/791591cb1f3548e98cf70e61c17b7dc7.png