详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法_java

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(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()

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

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

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

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()]。

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

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