Java并发锁控制API详解

Java并发锁控制API详解

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一.Lock接口(java.util.concurrent.locks):

  • void lock():获取锁,阻塞方式；如果资源已被其他线程锁定，那么lock将会阻塞直到获取锁，锁阻塞期间不受线程的Interrupt的影响，在获取锁成功后，才会检测线程的interrupt状态，如果interrupt=true，则抛出异常。
  • unlock():释放锁
  • tryLock():尝试获取锁,并发环境中"闯入"行为,如果有锁可用,直接获取锁并返回true,否则范围false.
  • lockInterruptibly():尝试获取锁,并支持"中断"请求。与lock的区别时，此方法的开始、结束和执行过程中，都会不断检测线程的interrupt状态，如果线程被中断，则立即抛出异常；而不像lock方法那样只会在获取锁之后才检测。

二.Lock接口实现类

    Lock直接实现,只有3个类:ReentrantLock和WriteLock/ReadLock;这三种锁;Lock和java的synchronized(内置锁)的功能一致,均为排他锁.

    ReentrantLock为重入排他锁,对于同一线程,如果它已经持有了锁,那么将不会再次获取锁,而直接可以使用.

    ReentrantReadWriteLock并没有继承ReentrantLock,而是一个基于Lock接口的单独实现.它实现了                 ReadWriteLock,即读写分离锁,是一种采用锁分离技巧的API.

    尽管在API级别ReentrantReadWriteLock和ReentrantLock没有直接继承关系,但是ReentrantReadWriteLock中的ReadLock和WriteLock都具有ReentrantLock的全部语义(简单说,就是把ReentrantLock的代码copy了一下.),即锁的可重入性.WriteLock支持Condition(条件),ReadLock不支持.

    Lock的实现类中,都包含了2中锁等待策略:公平和非公平;其实他们的实现也非常简单,底层都是使用了queue来维持锁请求顺序.[参考:http://shift-alt-ctrl.iteye.com/blog/1839142]

    公平锁,就是任何锁请求,首先将请求加入队列,然后再有队列机制来决定,是阻塞还是分配锁.

非公平,就是允许"闯入",当然公平锁,也无法干扰"闯入",对于任何锁请求,首先检测锁状态是否可用,如果可用直接获取,否则加入队列..

    ReentrantLock本质上和synchronized修饰词是同一语义,如果一个线程lock()之后,其他线程进行lock时必须阻塞,直到当前线程的前续线程unlock.[执行lock操作时,将会被队列化(假如在公平模式下),获取lock的线程都将具有前续/后继线程,前续线程就是当前线程之前执行lock操作而阻塞的线程,后继线程就是当前线程之后执行lock操作的线程;那么对于unlock操作就是"解锁"信号的传递,如果当前线程unlock,那么将会触发后继线程被"唤醒",即它因为lock操作阻塞状态被解除.];这是ReentrantLock的基本原理,但是当ReentrantLock在Conditon情况下,事情就变得更加复杂.[参加下述]

三.Condition:锁条件

    Condition与Lock形成happen-before关系。Condition将Object的监视器方法(wait,notify,notifyAll)分解成截然不同的对象，以便通过这些对象与任意Lock实现组合。使Lock具有等待“集合”的特性，或者“类型”；Lock替代了synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。（synchronized + object.wait对应Lock + Condition.await）

    Condition又称条件队列，为线程提供了一个含义，以便在某种状态条件现在可能为true的其他线程通知它之前，一直挂起该线程。即多个线程，其中一个线程因为某个条件而阻塞，其他线程当“条件”满足时，则“通知”哪些阻塞的线程。这，几乎和object中wait和notify的机制一样。

    Condition和wait一样，阻塞时也将原子性的释放锁(间接执行了release()方法)。并挂起线程。Condition必须与Lock形成关系，只有获取lock权限的，才能进行Condition操作。Condition底层基于AQS实现，条件阻塞，将以队列的方式，LockSupport支持。其实现类有ConditionObject，这也是Lock.newCondition()的返回实际类型，在等待 Condition 时，允许发生“虚假唤醒”，这通常作为对基础平台语义的让步。对于大多数应用程序，这带来的实际影响很小，因为 Condition 应该总是在一个循环中被等待，并测试正被等待的状态声明。某个实现可以随意移除可能的虚假唤醒，但建议应用程序程序员总是假定这些虚假唤醒可能发生，因此总是在一个循环中等待。

  • void await() throws InterruptedException:当前线程阻塞，并原子性释放对象锁。如下条件将触发线程唤醒：
  1. 当线程被中断(支持中断响应)，
  2. 其他线程通过condition.signal()方法，且碰巧选中当前线程唤醒
  3. 其他线程通过condition.signalAll()方法
  4. 发生虚假唤醒

    底层实现，await()方法将当前线程信息添加到Conditon内部维护的"await"线程队列的尾部(此队列的目的就是为singal方法保持亟待唤醒的线程的顺序),然后释放锁(执行tryRelease()方法,注意此处释放锁,仅仅是释放了锁信号,并不是unlock,此时其他线程仍不能获取锁--lock方法阻塞),然后使用LockSupport.park(this)来强制剥夺当前线程执行权限。await方法会校验线程的中断标记。

由此可见,await()方法执行之后,因为已经"归还"了锁信号,那么其他线程此时执行lock方法,将不再阻塞..

  • void awaitUninterruptibly()：阻塞，直到被唤醒。此方法不响应线程中断请求。即当线程被中断时，它将继续等待，直到接收到signal信号(你应该能想到"陷阱")，当最终从此方法返回时，仍然将设置其中断状态。
  • void signal()/signalAll():唤醒一个/全部await的线程。
    对于signal()方法而言,底层实现为，遍历await"线程队列,找出此condition上最先阻塞的线程,并将此阻塞线程unpark.至此为止,我们似乎发现"锁信号"丢失了,因为在线程await时通过tryRelease时释放了一次信号.那么被signal成功的线程,首先执行一次acquire(增加锁信号),然后校验自己是否被interrupted,如果锁信号获取成功且线程状态正常,此时才正常的从await()方法退出.经过这么复杂的分析,终于明白了ReentrantLock + Condition情况下,锁状态变更和线程控制的来龙去脉...
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  1. //////例子：  
  2. private Lock lock = new ReentrantLock();  
  3. private Condition full = lock.newCondition();  
  4. private Condition empty = lock.newCondition();  
  5. public Object take(){  
  6.     lock.lock();  
  7.     try{  
  8.         while(isEmpty()){  
  9.             empty.await()  
  10.         }  
  11.         Object o = get()  
  12.         full.signalAll();  
  13.         return o;  
  14.     }finally{  
  15.         lock.unlock();  
  16.     }  
  17. }  
  18.   
  19. public void put(Object o){  
  20.     lock.lock();  
  21.     try{  
  22.         while(isFull()){  
  23.             full.await();  
  24.         }  
  25.         put(o);  
  26.         empty.signalAll();  
  27.     }finally{  
  28.         lock.unlock();  
  29.     }  
  30. }  
 

四.机制

    Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。此实现允许更灵活的结构，可以具有差别很大的属性，可以支持多个相关的 Condition 对象。注意，Lock 实例只是普通的对象，其本身可以在 synchronized 语句中作为目标使用。获取 Lock 实例的监视器锁与调用该实例的任何 lock() 方法没有特别的关系。为了避免混淆，建议除了在其自身的实现中之外，决不要以这种方式使用 Lock 实例。

    Lock接口具有的方法：

  • void lock():获取锁，阻塞直到获取。
  • void lockInterruptibly() throws InterrutedException:获取锁，阻塞直到获取成功，支持中断响应。
  • boolean tryLock():尝试获取锁，返回是否获取的结果。如果碰巧获取成功，则返回true，此时已经持有锁。
  • boolean tryLock(long time,TimeUnit) throws InterruptedException:尝试获取锁，获取成功返回true，超时时且没有获取锁则返回false。
  • void unlock():释放锁。约定只有持有锁者才能释放锁，否则抛出异常。
  • void newCondition():返回绑定到lock的条件。

五.ReadWriteLock

    ReadWriteLock 维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。只要没有 writer（写锁），读取锁可以由多个 reader 线程同时保持（共享锁）。写入锁是独占的。所有 ReadWriteLock 实现都必须保证 writeLock 操作的内存同步效果也要保持与相关 readLock 的联系。也就是说，成功获取读锁的线程会看到写入锁之前版本所做的所有更新。

    与互斥锁相比，读-写锁允许对共享数据进行更高级别的并发访问。虽然一次只有一个线程（writer 线程）可以修改共享数据，但在许多情况下，任何数量的线程可以同时读取共享数据（reader 线程），读-写锁利用了这一点。从理论上讲，与互斥锁相比，使用读-写锁所允许的并发性增强将带来更大的性能提高。在实践中，只有在多处理器上并且只在访问模式适用于共享数据时，才能完全实现并发性增强。

  • Lock readLock():返回读锁。
  • Lock writeLock():返回写锁。

六.ReentrantLock

    ReentrantLock,重入排它锁，它和synchronized具有相同的语义以及在监视器上具有相同的行为，但是功能更加强大。

    ReetrantLock将由最近成功获得锁且还没有释放锁的线程标记为“锁占有者”；当锁没有被线程持有时，调用lock方法将会成功获取锁并返回，如果当前线程为锁持有者，再次调用lock将立即返回。可以使用 isHeldByCurrentThread() 和 getHoldCount() 方法来检查此情况是否发生。

    ReentrantLock的构造方法，允许接收一个“公平策略”参数，“公平策略”下，多个线程竞争获取锁时，将会以队列化锁请求者，并将锁授予队列的head。在“非公平策略”下，则不完全保证锁获取的顺序，允许闯入行为(tryLock)。

    ReentrantLock基于AQS机制，锁信号量为1，如果信号量为1且当前锁持有者不为自己，则不能获取锁。释放锁时，如果当前锁持有者不是自己，也将抛出“IllegalMonitorStateException”。由此可见，对于ReentrantLock，lock和release方法是需要组合出现。

七.ReentrantReadWriteLock：可重入读写分离锁

  1.  重入性 ：当前线程可以重新获取相应的“读锁”或者“写锁”，在写入线程保持的所有写入锁都已经释放后，才允许重入reader（读取线程）使用它们。writer线程可以获取读锁，但是reader线程却不能直接获取写锁。
  2. 锁降级：重入还允许写入锁降级为读锁，其实现方式为：先获取写入锁，然后获取读取锁，最后释放写入锁。但是读取锁不能升级为写入锁。
  3. Conditon的支持：只有写入锁支持conditon，对于读取锁，newConditon方法直接抛出UnsupportedOperationException。

    ReentrantReadWriteLock目前在java api中无直接使用。ReentrantReadWriteLock并没有继承自     ReentrantLock，而是单独重新实现。其内部仍然支持“公平性”“非公平性”策略。

    ReentrantReadWriteLock基于AQS，但是AQS只有一个state来表示锁的状态，所以如果一个state表示2种类型的锁状态，它做了一个很简单的策略，“位运算”，将一个int类型的state拆分为2个16位段，左端表示readlock锁引用计数，右端16位表示write锁。在readLock、writeLock进行获取锁或者释放锁时，均是通过有效的位运算和位控制，来达到预期的效果。

八.ReadLock

  • void lock():获取读取锁，伪代码如下： 
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  1. //如果当前已经有“写锁”，且持有写锁者不是当前线程(如果是当前线程，则支持写锁，降级为读锁)，则获取锁失败  
  2. //即任何读锁的获取，必须等待队列中的写锁释放  
  3. //c为实际锁引用量(exclusiveCount方法实现为：c & ((1<<16) -1)  
  4. if (exclusiveCount(c) != 0 &&getExclusiveOwnerThread() != current)  
  5.    return -1;  
  6.  //CAS操作，操作state的左端16位。  
  7. if(CAS(c,c + (1<<16))){  
  8.     return 1;  
  9. }  
  • void unlock()：释放read锁，即共享锁，伪代码如下：
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  1. //CAS锁引用  
  2. for (;;) {  
  3.     int c = getState();  
  4.     int nextc = c - (1<<16);//位操作，释放一个锁。  
  5. if (compareAndSetState(c, nextc))  
  6.     return nextc == 0;  
  7. }  
 

九.WriteLock

  • void lock():获取写入锁，伪代码如下：
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  1. //当前线程  
  2. Thread current = Thread.currentThread();  
  3. //实际的锁引用state  
  4. int c = getState();  
  5. //右端16位，通过位运算获取“写入锁”的state  
  6. int w = exclusiveCount(c);  
  7. //如果有锁引用  
  8. if (c != 0) {  
  9.     //且所引用不是自己  
  10.     if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()){  
  11.         return false;  
  12.     }  
  13. }  
  14.   
  15. //如果写入锁state为0，且CAS成功，则设置state和独占线程信息  
  16. if ((w == 0 && writerShouldBlock(current)) ||!compareAndSetState(c, c + acquires)){  
  17.     return false;  
  18. }  
  19. setExclusiveOwnerThread(current);  
  20. return true;  
  • void unlock():释放写入锁，伪代码如下：
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  1. //计算释放锁的信号量  
  2. int nextc = getState() - releases;  
  3. //对于写入锁，则校验当前线程是否为锁持有者，否则不可以释放(死锁)  
  4. if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())  
  5.     throw new IllegalMonitorStateException();  
  6. //释放锁，且重置独占线程信息  
  7. if (exclusiveCount(nextc) == 0) {  
  8.     setExclusiveOwnerThread(null);  
  9.     setState(nextc);  
  10.     return true;  
  11. } else {  
  12.     setState(nextc);  
  13.     return false;  
  14. }  

十.LockSupport:用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。

    底层基于hotspot的实现unsafe。park 和 unpark 方法提供了阻塞和解除阻塞线程的有效方法。三种形式的 park(即park,parkNanos(Object blocker,long nanos),parkUntil(Object blocker,long timestamp)) 还各自支持一个 blocker 对象参数。此对象在线程受阻塞时被记录，以允许监视工具和诊断工具确定线程受阻塞的原因。（这样的工具可以使用方法 getBlocker(java.lang.Thread) 访问 blocker。）建议最好使用这些形式，而不是不带此参数的原始形式。

    在锁实现中提供的作为 blocker 的普通参数是 this。

  • static void park(Object blocker):阻塞当前线程，直到如下情况发生：
  1. 其他线程，调用unpark方法，并将此线程作为目标而唤醒
  2. 其他线程中断当前线程此方法不报告，此线程是何种原因被放回，需要调用者重新检测，而且此方法也经常在while循环中执行 
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  1. while(//condition,such as:queue.isEmpty){  
  2.     LockSupport.park(queue);//此时queue对象作为“阻塞”点传入，以便其他监控工具查看，queue的状态  
  3.     //检测当前线程是否已经中断。  
  4.     if(Thread.interrupted()){  
  5.         break;  
  6.     }  
  7. }  
  • void getBlocker(Thread t):返回提供最近一次尚未解除阻塞的park的阻塞点。可以返回null。
  • void unpark(Thread t):解除指定线程阻塞，使其可用。参数null则无效果。

     LockSupport实例(不过不建议在实际代码中直接使用LockSupport,很多时候,你可以使用锁来控制):

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  1. /////////////Demo  
  2.   
  3. public class LockSupportTestMain {  
  4.   
  5.     /** 
  6.  
  7.     * @param args 
  8.  
  9.     */  
  10.   
  11.     public static void main(String[] args) throws Exception{  
  12.         System.out.println("Hear!");  
  13.         BlockerObject blocker = new BlockerObject();  
  14.         LThread tp = new LThread(blocker, false);  
  15.         LThread tt = new LThread(blocker, true);  
  16.         tp.start();  
  17.         tt.start();  
  18.         Thread.sleep(1000);  
  19.     }  
  20.   
  21.     static class LThread extends Thread{  
  22.         private BlockerObject blocker;  
  23.         boolean take;  
  24.         LThread(BlockerObject blocker,boolean take){  
  25.             this.blocker = blocker;  
  26.             this.take = take;  
  27.         }  
  28.   
  29.         @Override  
  30.         public void run(){  
  31.             if(take){  
  32.             while(true){  
  33.                 Object o = blocker.take();  
  34.                 if(o != null){  
  35.                     System.out.println(o.toString());  
  36.                 }  
  37.                 }  
  38.                 }else{  
  39.                     Object o = new Object();  
  40.                     System.out.println("put,,," + o.toString());  
  41.                     blocker.put(o);  
  42.                 }  
  43.         }  
  44.     }  
  45.   
  46.     static class BlockerObject{  
  47.         Queue<Object> inner = new LinkedList<Object>();  
  48.         Queue<Thread> twaiters = new LinkedList<Thread>();  
  49.         Queue<Thread> pwaiters = new LinkedList<Thread>();  
  50.         public void put(Object o){  
  51.             inner.offer(o);  
  52.             pwaiters.offer(Thread.currentThread());  
  53.             Thread t = twaiters.poll();  
  54.             if(t != null){  
  55.                 LockSupport.unpark(t);  
  56.             }  
  57.             System.out.println("park");  
  58.             LockSupport.park(Thread.currentThread());  
  59.             System.out.println("park is over");  
  60.         }  
  61.   
  62.         public Object take(){  
  63.             Thread t = pwaiters.poll();  
  64.             if(t != null){  
  65.                 System.out.println("unpark");  
  66.                 LockSupport.unpark(t);  
  67.                 System.out.println("unpark is OK");  
  68.             }  
  69.                 //twaiters.offer(Thread.currentThread());  
  70.                 return inner.poll();  
  71.             }  
  72.         }  
  73.   
  74. }  

备注：有时候会疑惑wait()/notify() 和Unsafe.park()/unpark()有什么区别？区别是wait和notify是Object类的方法，它们首选需要获得“对象锁”，并在synchronized同步快中执行。park和unpark怎不需要这么做。wait和park都是有当前线程发起，notify和unpark都是其他线程发起。wait针对的是对象锁，park针对的线程本身，但是最终的效果都是导致当前线程阻塞。Unsafe不建议开发者直接使用。

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