详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法
0.关于互斥锁
所谓互斥锁,指的是一次最多只能有一个线程持有的锁.在jdk1.5之前,我们通常使用synchronized机制控制多个线程对共享资源的访问.而现在,Lock提供了比synchronized机制更广泛的锁定操作,Lock和synchronized机制的主要区别:
synchronized机制提供了对与每个对象相关的隐式监视器锁的访问,并强制所有锁获取和释放均要出现在一个块结构中,当获取了多个锁时,它们必须以相反的顺序释放.synchronized机制对锁的释放是隐式的,只要线程运行的代码超出了synchronized语句块范围,锁就会被释放.而Lock机制必须显式的调用Lock对象的unlock()方法才能释放锁,这为获取锁和释放锁不出现在同一个块结构中,以及以更自由的顺序释放锁提供了可能。
1.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(booleanfair) //查询当前线程保持此锁的次数。 intgetHoldCount() //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。 protectedThreadgetOwner() //返回一个collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。 protectedCollection<Thread>getQueuedThreads() //返回正等待获取此锁的线程估计数。 intgetQueueLength() //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。 protectedCollection<Thread>getWaitingThreads(Conditioncondition) //返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。 intgetWaitQueueLength(Conditioncondition) //查询给定线程是否正在等待获取此锁。 booleanhasQueuedThread(Threadthread) //查询是否有些线程正在等待获取此锁。 booleanhasQueuedThreads() //查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。 booleanhasWaiters(Conditioncondition) //如果是“公平锁”返回true，否则返回false。 booleanisFair() //查询当前线程是否保持此锁。 booleanisHeldByCurrentThread() //查询此锁是否由任意线程保持。 booleanisLocked() //获取锁。 voidlock() //如果当前线程未被中断，则获取锁。 voidlockInterruptibly() //返回用来与此Lock实例一起使用的Condition实例。 ConditionnewCondition() //仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。 booleantryLock() //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。 booleantryLock(longtimeout,TimeUnitunit) //试图释放此锁。 voidunlock()
2.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
2.1示例1
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
//LockTest1.java
//仓库
classDepot{
privateintsize;//仓库的实际数量
privateLocklock;//独占锁
publicDepot(){
this.size=0;
this.lock=newReentrantLock();
}
publicvoidproduce(intval){
lock.lock();
try{
size+=val;
System.out.printf("%sproduce(%d)-->size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(),val,size);
}finally{
lock.unlock();
}
}
publicvoidconsume(intval){
lock.lock();
try{
size-=val;
System.out.printf("%sconsume(%d)<--size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(),val,size);
}finally{
lock.unlock();
}
}
};
//生产者
classProducer{
privateDepotdepot;
publicProducer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
publicvoidproduce(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
//消费者
classCustomer{
privateDepotdepot;
publicCustomer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
publicvoidconsume(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
publicclassLockTest1{
publicstaticvoidmain(String[]args){
DepotmDepot=newDepot();
ProducermPro=newProducer(mDepot);
CustomermCus=newCustomer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
运行结果：
Thread-0produce(60)-->size=60 Thread-1produce(120)-->size=180 Thread-3consume(150)<--size=30 Thread-2consume(90)<--size=-60 Thread-4produce(110)-->size=50
结果分析：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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：
(1)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！
(2)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。
2.2示例2
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
//LockTest2.java
//仓库
classDepot{
privateintsize;//仓库的实际数量
privateLocklock;//独占锁
publicDepot(){
this.size=0;
this.lock=newReentrantLock();
}
publicvoidproduce(intval){
//lock.lock();
//try{
size+=val;
System.out.printf("%sproduce(%d)-->size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(),val,size);
//}catch(InterruptedExceptione){
//}finally{
//lock.unlock();
//}
}
publicvoidconsume(intval){
//lock.lock();
//try{
size-=val;
System.out.printf("%sconsume(%d)<--size=%d\n",
Thread.currentThread().getName(),val,size);
//}finally{
//lock.unlock();
//}
}
};
//生产者
classProducer{
privateDepotdepot;
publicProducer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
publicvoidproduce(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
//消费者
classCustomer{
privateDepotdepot;
publicCustomer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
publicvoidconsume(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
publicclassLockTest2{
publicstaticvoidmain(String[]args){
DepotmDepot=newDepot();
ProducermPro=newProducer(mDepot);
CustomermCus=newCustomer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
(某一次)运行结果：
Thread-0produce(60)-->size=-60 Thread-4produce(110)-->size=50 Thread-2consume(90)<--size=-60 Thread-1produce(120)-->size=-60 Thread-3consume(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。
2.3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()]。
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
importjava.util.concurrent.locks.Condition;
//LockTest3.java
//仓库
classDepot{
privateintcapacity;//仓库的容量
privateintsize;//仓库的实际数量
privateLocklock;//独占锁
privateConditionfullCondtion;//生产条件
privateConditionemptyCondtion;//消费条件
publicDepot(intcapacity){
this.capacity=capacity;
this.size=0;
this.lock=newReentrantLock();
this.fullCondtion=lock.newCondition();
this.emptyCondtion=lock.newCondition();
}
publicvoidproduce(intval){
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)
intleft=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”
intinc=(size+left)>capacity?(capacity-size):left;
size+=inc;
left-=inc;
System.out.printf("%sproduce(%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(InterruptedExceptione){
}finally{
lock.unlock();
}
}
publicvoidconsume(intval){
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)
intleft=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”。
intdec=(size<left)?size:left;
size-=dec;
left-=dec;
System.out.printf("%sconsume(%3d)<--left=%3d,dec=%3d,size=%3d\n",
Thread.currentThread().getName(),val,left,dec,size);
fullCondtion.signal();
}
}catch(InterruptedExceptione){
}finally{
lock.unlock();
}
}
publicStringtoString(){
return"capacity:"+capacity+",actualsize:"+size;
}
};
//生产者
classProducer{
privateDepotdepot;
publicProducer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
publicvoidproduce(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}
//消费者
classCustomer{
privateDepotdepot;
publicCustomer(Depotdepot){
this.depot=depot;
}
//消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
publicvoidconsume(finalintval){
newThread(){
publicvoidrun(){
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}
publicclassLockTest3{
publicstaticvoidmain(String[]args){
DepotmDepot=newDepot(100);
ProducermPro=newProducer(mDepot);
CustomermCus=newCustomer(mDepot);
mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}
(某一次)运行结果：
Thread-0produce(60)-->left=0,inc=60,size=60 Thread-1produce(120)-->left=80,inc=40,size=100 Thread-2consume(90)<--left=0,dec=90,size=10 Thread-3consume(150)<--left=140,dec=10,size=0 Thread-4produce(110)-->left=10,inc=100,size=100 Thread-3consume(150)<--left=40,dec=100,size=0 Thread-4produce(110)-->left=0,inc=10,size=10 Thread-3consume(150)<--left=30,dec=10,size=0 Thread-1produce(120)-->left=0,inc=80,size=80 Thread-3consume(150)<--left=0,dec=30,size=50