Java并发编程（20）：并发新特性—Lock锁和条件变量（含代码）

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：

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      ........      lock.lock();      try {           //更新对象的状态          //捕获异常，必要时恢复到原来的不变约束         //如果有return语句，放在这里     } finally {             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：

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

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：

public class Buffer {      private Object lock;      public Buffer() {         lock = this;     }      public void write() {         synchronized (lock) {             long startTime = System.currentTimeMillis();             System.out.println("开始往这个buff写入数据…");             for (;;)// 模拟要处理很长时间                 {                 if (System.currentTimeMillis()                         - startTime > Integer.MAX_VALUE) {                     break;                 }             }             System.out.println("终于写完了");         }     }      public void read() {         synchronized (lock) {             System.out.println("从这个buff读数据");         }     }      public static void main(String[] args) {         Buffer buff = new Buffer();          final Writer writer = new Writer(buff);         final Reader reader = new Reader(buff);          writer.start();         reader.start();          new Thread(new Runnable() {              @Override             public void run() {                 long start = System.currentTimeMillis();                 for (;;) {                     //等5秒钟去中断读                         if (System.currentTimeMillis()                             - start > 5000) {                         System.out.println("不等了，尝试中断");                         reader.interrupt();  //尝试中断读线程                         break;                     }                  }              }         }).start();         // 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，         // 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，         // 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，         // 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。     } }  class Writer extends Thread {      private Buffer buff;      public Writer(Buffer buff) {         this.buff = buff;     }      @Override     public void run() {         buff.write();     } }  class Reader extends Thread {      private Buffer buff;      public Reader(Buffer buff) {         this.buff = buff;     }      @Override     public void run() {          buff.read();//这里估计会一直阻塞              System.out.println("读结束");      } }

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：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  public class BufferInterruptibly {      private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();      public void write() {         lock.lock();         try {             long startTime = System.currentTimeMillis();             System.out.println("开始往这个buff写入数据…");             for (;;)// 模拟要处理很长时间                 {                 if (System.currentTimeMillis()                         - startTime > Integer.MAX_VALUE) {                     break;                 }             }             System.out.println("终于写完了");         } finally {             lock.unlock();         }     }      public void read() throws InterruptedException {         lock.lockInterruptibly();// 注意这里，可以响应中断             try {             System.out.println("从这个buff读数据");         } finally {             lock.unlock();         }     }      public static void main(String args[]) {         BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly();          final Writer2 writer = new Writer2(buff);         final Reader2 reader = new Reader2(buff);          writer.start();         reader.start();          new Thread(new Runnable() {              @Override             public void run() {                 long start = System.currentTimeMillis();                 for (;;) {                     if (System.currentTimeMillis()                             - start > 5000) {                         System.out.println("不等了，尝试中断");                         reader.interrupt();  //此处中断读操作                         break;                     }                 }             }         }).start();      } }  class Reader2 extends Thread {      private BufferInterruptibly buff;      public Reader2(BufferInterruptibly buff) {         this.buff = buff;     }      @Override     public void run() {          try {             buff.read();//可以收到中断的异常，从而有效退出             } catch (InterruptedException e) {             System.out.println("我不读了");         }          System.out.println("读结束");      } }  class Writer2 extends Thread {      private BufferInterruptibly buff;      public Writer2(BufferInterruptibly buff) {         this.buff = buff;     }      @Override     public void run() {         buff.write();     }  }

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。

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：

import java.util.concurrent.*; import java.util.concurrent.locks.*;  class Info{ // 定义信息类  private String name = "name";//定义name属性，为了与下面set的name属性区别开  private String content = "content" ;// 定义content属性，为了与下面set的content属性区别开  private boolean flag = true ; // 设置标志位,初始时先生产  private Lock lock = new ReentrantLock();    private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象  public  void set(String name,String content){   lock.lock();   try{    while(!flag){     condition.await() ;    }    this.setName(name) ; // 设置名称    Thread.sleep(300) ;    this.setContent(content) ; // 设置内容    flag  = false ; // 改变标志位，表示可以取走    condition.signal();   }catch(InterruptedException e){    e.printStackTrace() ;   }finally{    lock.unlock();   }  }   public void get(){   lock.lock();   try{    while(flag){     condition.await() ;    }     Thread.sleep(300) ;    System.out.println(this.getName() +      " --> " + this.getContent()) ;    flag  = true ; // 改变标志位，表示可以生产    condition.signal();   }catch(InterruptedException e){    e.printStackTrace() ;   }finally{    lock.unlock();   }  }   public void setName(String name){   this.name = name ;  }  public void setContent(String content){   this.content = content ;  }  public String getName(){   return this.name ;  }  public String getContent(){   return this.content ;  } } class Producer implements Runnable{ // 通过Runnable实现多线程  private Info info = null ;  // 保存Info引用  public Producer(Info info){   this.info = info ;  }  public void run(){   boolean flag = true ; // 定义标记位   for(int i=0;i<10;i++){    if(flag){     this.info.set("姓名--1","内容--1") ; // 设置名称     flag = false ;    }else{     this.info.set("姓名--2","内容--2") ; // 设置名称     flag = true ;    }   }  } } class Consumer implements Runnable{  private Info info = null ;  public Consumer(Info info){   this.info = info ;  }  public void run(){   for(int i=0;i<10;i++){    this.info.get() ;   }  } } public class ThreadCaseDemo{  public static void main(String args[]){   Info info = new Info(); // 实例化Info对象   Producer pro = new Producer(info) ; // 生产者   Consumer con = new Consumer(info) ; // 消费者   new Thread(pro).start() ;   //启动了生产者线程后，再启动消费者线程   try{    Thread.sleep(500) ;   }catch(InterruptedException e){    e.printStackTrace() ;   }    new Thread(con).start() ;  } }

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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。

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：

ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();   rwl.writeLock().lock()  //获取写锁 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。

本系列：

• Java并发编程（1）：可重入内置锁
• Java并发编程（2）：线程中断（含代码）
• Java并发编程（3）：线程挂起、恢复与终止的正确方法（含代码）
• Java并发编程（4）：守护线程与线程阻塞的四种情况
• Java并发编程（5）：volatile变量修饰符—意料之外的问题（含代码）
• Java并发编程（6）：Runnable和Thread实现多线程的区别（含代码）
• Java并发编程（7）：使用synchronized获取互斥锁的几点说明
• Java并发编程（8）：多线程环境中安全使用集合API（含代码）
• Java并发编程（9）：死锁（含代码）
• Java并发编程（10）：使用wait/notify/notifyAll实现线程间通信的几点重要说明
• Java并发编程（11）：线程间通信中notify通知的遗漏（含代码）
• Java并发编程（12）：线程间通信中notifyAll造成的早期通知问题（含代码）
• Java并发编程（13）：生产者—消费者模型（含代码）
• Java并发编程（14）：图文讲述同步的另一个重要功能—内存可见性
• Java并发编程（15）：并发编程中实现内存可见的两种方法比较—加锁和volatile变量
• Java并发编程（16）：深入Java内存模型—happen-before规则及其对DCL的分析（含代码）
• Java并发编程（17）：深入Java内存模型—内存操作规则总结
• Java并发编程（18）：第五篇中volatile意外问题的正确分析解答（含代码）
• Java并发编程（19）：并发新特性—Executor框架与线程池（含代码）
• Java并发编程（20）：并发新特性—Lock锁和条件变量（含代码）