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