Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock

ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁,又被称为“独占锁”。

顾名思义,ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有;而可重入的意思是,ReentrantLock锁,可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源,防止多个线程同时操作线程而出错,ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时,其它线程就必须等待);ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下,线程依次排队获取锁;而“非公平锁”在锁是可获取状态时,不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

ReentrantLock函数列表

// 创建一个 ReentrantLock ,默认是“非公平锁”。
ReentrantLock()
// 创建策略是fair的 ReentrantLock。fair为true表示是公平锁,fair为false表示是非公平锁。
ReentrantLock(boolean fair)

// 查询当前线程保持此锁的次数。
int getHoldCount()
// 返回目前拥有此锁的线程,如果此锁不被任何线程拥有,则返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一个 collection,它包含可能正等待获取此锁的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回正等待获取此锁的线程估计数。
int getQueueLength()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)
// 返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查询给定线程是否正在等待获取此锁。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查询是否有些线程正在等待获取此锁。
boolean hasQueuedThreads()
// 查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果是“公平锁”返回true,否则返回false。
boolean isFair()
// 查询当前线程是否保持此锁。
boolean isHeldByCurrentThread()
// 查询此锁是否由任意线程保持。
boolean isLocked()
// 获取锁。
void lock()
// 如果当前线程未被中断,则获取锁。
void lockInterruptibly()
// 返回用来与此 Lock 实例一起使用的 Condition 实例。
Condition newCondition()
// 仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下,才获取该锁。
boolean tryLock()
// 如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持,且当前线程未被中断,则获取该锁。
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
// 试图释放此锁。
void unlock()

ReentrantLock示例

通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用

示例1

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest1.java
// 仓库
class Depot {
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

运行结果

Thread-0 produce(60) --> size=60
Thread-1 produce(120) --> size=180
Thread-3 consume(150) <-- size=30
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50

结果分析
(01) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物,通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问:在操作(生产/消费)仓库中货品前,会先通过lock()锁住仓库,操作完之后再通过unlock()解锁。
(02) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(03) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(04) 在主线程main中,我们会新建1个生产者mPro,同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量,仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的!

这个模型存在两个问题:
(01) 现实中,仓库的容量不可能为负数。但是,此模型中的仓库容量可以为负数,这与现实相矛盾!
(02) 现实中,仓库的容量是有限制的。但是,此模型中的容量确实没有限制的!
这两个问题,我们稍微会讲到如何解决。现在,先看个简单的示例2;通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。

示例2

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest2.java
// 仓库
class Depot {
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } catch (InterruptedException e) {
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }

    public void consume(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n",
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)运行结果

Thread-0 produce(60) --> size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-1 produce(120) --> size=-60
Thread-3 consume(150) <-- size=-60

结果说明
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中,仓库中最终剩余的产品是-60,而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。

示例3

在“示例3”中,我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题:“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的:通过Condition中的await()方法,能让线程阻塞[类似于wait()];通过Condition的signal()方法,能让唤醒线程[类似于notify()]。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;

// LockTest3.java
// 仓库
class Depot {
    private int capacity;    // 仓库的容量
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁
    private Condition fullCondtion;            // 生产条件
    private Condition emptyCondtion;        // 消费条件

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.fullCondtion = lock.newCondition();
        this.emptyCondtion = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
             // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多,需多此生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时,等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    fullCondtion.await();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”,则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                emptyCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大,库存不够,需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时,等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    emptyCondtion.await();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”,则“实际消费量”=“库存”;
                // 否则,“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                fullCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String toString() {
        return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;

    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;

    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品:新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)运行结果

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50

代码中的已经包含了很详细的注释,这里就不再说明了。
更多“生产者/消费者模型”的更多内容,可以参考“Java多线程系列--“基础篇”11之 生产消费者问题”。
而关于Condition的内容,在后面我们会详细介绍。

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3496101.html

时间: 07-31

Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock的相关文章

Java多线程系列--“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例

概要 本章,我们对JUC包中的信号量Semaphore进行学习.内容包括:Semaphore简介Semaphore数据结构Semaphore源码分析(基于JDK1.7.0_40)Semaphore示例 转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3534050.html Semaphore简介 Semaphore是一个计数信号量,它的本质是一个"共享锁". 信号量维护了一个信号量许可集.线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可

Java多线程系列--“JUC锁”05之 非公平锁

获取非公平锁(基于JDK1.7.0_40) 非公平锁和公平锁在获取锁的方法上,流程是一样的:它们的区别主要表现在"尝试获取锁的机制不同".简单点说,"公平锁"在每次尝试获取锁时,都是采用公平策略(根据等待队列依次排序等待):而"非公平锁"在每次尝试获取锁时,都是采用的非公平策略(无视等待队列,直接尝试获取锁,如果锁是空闲的,即可获取状态,则获取锁).在前面的"Java多线程系列--"JUC锁"03之 公平锁(一)&q

Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一)

基本概念 本章,我们会讲解"线程获取公平锁"的原理:在讲解之前,需要了解几个基本概念.后面的内容,都是基于这些概念的:这些概念可能比较枯燥,但从这些概念中,能窥见"java锁"的一些架构,这对我们了解锁是有帮助的.1. AQS -- 指AbstractQueuedSynchronizer类.    AQS是java中管理"锁"的抽象类,锁的许多公共方法都是在这个类中实现.AQS是独占锁(例如,ReentrantLock)和共享锁(例如,Semap

Java多线程系列--“JUC锁”10之 CyclicBarrier原理和示例

概要 本章介绍JUC包中的CyclicBarrier锁.内容包括:CyclicBarrier简介CyclicBarrier数据结构CyclicBarrier源码分析(基于JDK1.7.0_40)CyclicBarrier示例 转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3533995.html CyclicBarrier简介 CyclicBarrier是一个同步辅助类,允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (common barrier p

Java多线程系列--“JUC线程池”02之 线程池原理(一)

ThreadPoolExecutor简介 ThreadPoolExecutor是线程池类.对于线程池,可以通俗的将它理解为"存放一定数量线程的一个线程集合.线程池允许同时运行的线程数量就是线程池的容量:当添加到线程池中的线程超过它的容量时,会有一部分线程阻塞等待.线程池会通过相应的调度策略和拒绝策略,对添加到线程池中的线程进行管理." ThreadPoolExecutor数据结构 ThreadPoolExecutor的数据结构如下图所示: 各个数据在ThreadPoolExecutor

Java多线程系列--“JUC锁”04之 公平锁(二)

释放公平锁(基于JDK1.7.0_40) 1. unlock() unlock()在ReentrantLock.java中实现的,源码如下: public void unlock() { sync.release(1); } 说明:unlock()是解锁函数,它是通过AQS的release()函数来实现的.在这里,"1"的含义和"获取锁的函数acquire(1)的含义"一样,它是设置"释放锁的状态"的参数.由于"公平锁"是可重

Java多线程系列--“JUC锁”07之 LockSupport

概述 本章介绍JUC(java.util.concurrent)包中的LockSupport.内容包括:LockSupport介绍LockSupport函数列表LockSupport参考代码(基于JDK1.7.0_40)LockSupport示例 转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3505784.html LockSupport介绍 LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语. LockSupport中的park()

Java多线程系列--“JUC线程池”03之 线程池原理(二)

线程池示例 在分析线程池之前,先看一个简单的线程池示例. import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.ExecutorService; public class ThreadPoolDemo1 { public static void main(String[] args) { // 创建一个可重用固定线程数的线程池 ExecutorService pool = Executors.newFixedThre

Java多线程系列--“JUC线程池”06之 Callable和Future

概要 本章介绍线程池中的Callable和Future.Callable 和 Future 简介示例和源码分析(基于JDK1.7.0_40) 转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3544116.html Callable 和 Future 简介 Callable 和 Future 是比较有趣的一对组合.当我们需要获取线程的执行结果时,就需要用到它们.Callable用于产生结果,Future用于获取结果. 1. Callable Calla