Java多线程（9）之ReentrantLock与Condition（转）

2013-08-13

Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition（转）java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽

Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition（转）

java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象，它允许把锁定的实现作为 Java 类，而不是作为语言的特性来实现。这就为 Lock 的多种实现留下了空间，各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。 ReentrantLock 类实现了 Lock ，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。（换句话说，当许多线程都想访问共享资源时，JVM 可以花更少的时候来调度线程，把更多时间用在执行线程上。）

?reentrant 锁意味着什么呢？简单来说，它有一个与锁相关的获取计数器，如果拥有锁的某个线程再次得到锁，那么获取计数器就加1，然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义；如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块，就允许线程继续进行，当线程退出第二个（或者后续） synchronized 块的时候，不释放锁，只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时，才释放锁。?1.2?ReentrantLock与synchronized的比较??

相同：ReentrantLock提供了synchronized类似的功能和内存语义。

不同：

（1）ReentrantLock 功能性方面更全面，比如时间锁等候，可中断锁等候，锁投票等，因此更有扩展性。在多个条件变量和高度竞争锁的地方，用ReentrantLock更合适，ReentrantLock还提供了Condition，对线程的等待和唤醒等操作更加灵活，一个ReentrantLock可以有多个 Condition实例，所以更有扩展性。

（2）ReentrantLock 的性能比synchronized会好点。

（3）ReentrantLock提供了可轮询的锁请求，他可以尝试的去取得锁，如果取得成功则继续处理，取得不成功，可以等下次运行的时候处理，所以不容易产生死锁，而synchronized则一旦进入锁请求要么成功，要么一直阻塞，所以更容易产生死锁。

1.3?ReentrantLock扩展的功能?

1.3.1 实现可轮询的锁请求??在内部锁中，死锁是致命的——唯一的恢复方法是重新启动程序，唯一的预防方法是在构建程序时不要出错。而可轮询的锁获取模式具有更完善的错误恢复机制，可以规避死锁的发生。?
如果你不能获得所有需要的锁，那么使用可轮询的获取方式使你能够重新拿到控制权，它会释放你已经获得的这些锁，然后再重新尝试。可轮询的锁获取模式，由tryLock()方法实现。此方法仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。如果锁可用，则获取锁，并立即返回值true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值false。此方法的典型使用语句如下：?
[java] view plaincopy

Lock?lock?=?...;???if?(lock.tryLock())?{???
try?{???//?manipulate?protected?state???
}?finally?{???lock.unlock();???
}???}?else?{???
//?perform?alternative?actions???}???

1.3.2 实现可定时的锁请求??当使用内部锁时，一旦开始请求，锁就不能停止了，所以内部锁给实现具有时限的活动带来了风险。为了解决这一问题，可以使用定时锁。当具有时限的活?
动调用了阻塞方法，定时锁能够在时间预算内设定相应的超时。如果活动在期待的时间内没能获得结果，定时锁能使程序提前返回。可定时的锁获取模式，由tryLock(long, TimeUnit)方法实现。?
1.3.3 实现可中断的锁获取请求??可中断的锁获取操作允许在可取消的活动中使用。lockInterruptibly()方法能够使你获得锁的时候响应中断。?1.4 ReentrantLock不好与需要注意的地方?（1） lock 必须在 finally 块中释放。否则，如果受保护的代码将抛出异常，锁就有可能永远得不到释放！这一点区别看起来可能没什么，但是实际上，它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁，可能会在程序中留下一个定时错误，当有一天错误爆炸时，您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步，JVM 将确保锁会获得自动释放（2）当 JVM 用 synchronized 管理锁定请求和释放时，JVM 在生成线程转储时能够包括锁定信息。这些对调试非常有价值，因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。 Lock 类只是普通的类，JVM 不知道具体哪个线程拥有 Lock 对象。?二、条件变量Condition?

条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

条件（也称为条件队列?或条件变量）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是：以原子方式?释放相关的锁，并挂起当前线程，就像?Object.wait?做的那样。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定，而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock中提到，获取一个条件变量的方法是Lock.newCondition()。

[java] view plaincopy

void?await()?throws?InterruptedException;????
void?awaitUninterruptibly();????
long?awaitNanos(long?nanosTimeout)?throws?InterruptedException;????
boolean?await(long?time,?TimeUnit?unit)?throws?InterruptedException;????
boolean?awaitUntil(Date?deadline)?throws?InterruptedException;????
void?signal();????
void?signalAll();??

以上是Condition接口定义的方法，await*对应于Object.wait，signal对应于Object.notify，signalAll对应于Object.notifyAll。特别说明的是Condition的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll的语义和使用上混淆，因为Condition同样有wait/notify/notifyAll方法。

每一个Lock可以有任意数据的Condition对象，Condition是与Lock绑定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。

一个使用Condition实现生产者消费者的模型例子如下。

?
[java] view plaincopy
import?java.util.concurrent.locks.Condition;??import?java.util.concurrent.locks.Lock;??
import?java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;????
public?class?ProductQueue<T>?{????
????private?final?T[]?items;????
????private?final?Lock?lock?=?new?ReentrantLock();????
????private?Condition?notFull?=?lock.newCondition();????
????private?Condition?notEmpty?=?lock.newCondition();????
????//??????private?int?head,?tail,?count;??
??????public?ProductQueue(int?maxSize)?{??
????????items?=?(T[])?new?Object[maxSize];??????}??
??????public?ProductQueue()?{??
????????this(10);??????}??
??????public?void?put(T?t)?throws?InterruptedException?{??
????????lock.lock();??????????try?{??
????????????while?(count?==?getCapacity())?{??????????????????notFull.await();??
????????????}??????????????items[tail]?=?t;??
????????????if?(++tail?==?getCapacity())?{??????????????????tail?=?0;??
????????????}??????????????++count;??
????????????notEmpty.signalAll();??????????}?finally?{??
????????????lock.unlock();??????????}??
????}????
????public?T?take()?throws?InterruptedException?{??????????lock.lock();??
????????try?{??????????????while?(count?==?0)?{??
????????????????notEmpty.await();??????????????}??
????????????T?ret?=?items[head];??????????????items[head]?=?null;//GC??
????????????//??????????????if?(++head?==?getCapacity())?{??
????????????????head?=?0;??????????????}??
????????????--count;??????????????notFull.signalAll();??
????????????return?ret;??????????}?finally?{??
????????????lock.unlock();??????????}??
????}????
????public?int?getCapacity()?{??????????return?items.length;??
????}????
????public?int?size()?{??????????lock.lock();??
????????try?{??????????????return?count;??
????????}?finally?{??????????????lock.unlock();??
????????}??????}??
??}??

在这个例子中消费take()需要队列不为空，如果为空就挂起（await()），直到收到notEmpty的信号；生产put()需要队列不满，如果满了就挂起（await()），直到收到notFull的信号。

可能有人会问题，如果一个线程lock()对象后被挂起还没有unlock，那么另外一个线程就拿不到锁了（lock()操作会挂起），那么就无法通知(notify)前一个线程，这样岂不是“死锁”了？

2.1 await* 操作?

上一节中说过多次ReentrantLock是独占锁，一个线程拿到锁后如果不释放，那么另外一个线程肯定是拿不到锁，所以在lock.lock()和lock.unlock()之间可能有一次释放锁的操作（同样也必然还有一次获取锁的操作）。我们再回头看代码，不管take()还是put()，在进入lock.lock()后唯一可能释放锁的操作就是await()了。也就是说await()操作实际上就是释放锁，然后挂起线程，一旦条件满足就被唤醒，再次获取锁！

?
[java] view plaincopy
public?final?void?await()?throws?InterruptedException?{??????if?(Thread.interrupted())??
????????throw?new?InterruptedException();??????Node?node?=?addConditionWaiter();??
????int?savedState?=?fullyRelease(node);??????int?interruptMode?=?0;??
????while?(!isOnSyncQueue(node))?{??????????LockSupport.park(this);??
????????if?((interruptMode?=?checkInterruptWhileWaiting(node))?!=?0)??????????????break;??
????}??????if?(acquireQueued(node,?savedState)?&&?interruptMode?!=?THROW_IE)??
????????interruptMode?=?REINTERRUPT;??????if?(node.nextWaiter?!=?null)??
????????unlinkCancelledWaiters();??????if?(interruptMode?!=?0)??
????????reportInterruptAfterWait(interruptMode);??}??

上面是await()的代码片段。上一节中说过,AQS在获取锁的时候需要有一个CHL的FIFO队列，所以对于一个Condition.await()而言，如果释放了锁，要想再一次获取锁那么就需要进入队列，等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的：

Condition

AQS

Condition

acquireQueued

Condition

这里再回头介绍Condition的数据结构。我们知道一个Condition可以在多个地方被await*()，那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。

?
[java] view plaincopy
private?transient?Node?firstWaiter;??private?transient?Node?lastWaiter;??

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点（Node）数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了！nextWaiter就是将一系列的Condition.await*串联起来组成一个FIFO的队列。

2.2 signal/signalAll 操作?

await*()清楚了，现在再来看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要将Condition.await*()中FIFO队列中第一个Node唤醒（或者全部Node）唤醒。尽管所有Node可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

?
[java] view plaincopy
private?void?doSignal(Node?first)?{??????do?{??
????????if?(?(firstWaiter?=?first.nextWaiter)?==?null)??????????????lastWaiter?=?null;??
????????first.nextWaiter?=?null;??????}?while?(!transferForSignal(first)?&&??
?????????????(first?=?firstWaiter)?!=?null);??}??
??private?void?doSignalAll(Node?first)?{??
????lastWaiter?=?firstWaiter??=?null;??????do?{??
????????Node?next?=?first.nextWaiter;??????????first.nextWaiter?=?null;??
????????transferForSignal(first);??????????first?=?next;??
????}?while?(first?!=?null);??}??

上面的代码很容易看出来，signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

?
[java] view plaincopy
final?boolean?transferForSignal(Node?node)?{??????if?(!compareAndSetWaitStatus(node,?Node.CONDITION,?0))??
????????return?false;????
????Node?p?=?enq(node);??????int?c?=?p.waitStatus;??
????if?(c?>?0?||?!compareAndSetWaitStatus(p,?c,?Node.SIGNAL))??????????LockSupport.unpark(node.thread);??
????return?true;??}??

上面就是唤醒一个await*()线程的过程，根据前面的小节介绍的，如果要unpark线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入AQS的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前调用了enq(node)操作，将当前节点加入到AQS队列。

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