彻底理解Java并发：ReentrantLock锁

Java
315
0
0
2022-12-20
彻底理解Java并发：AQS抽象队列同步器
上一篇
彻底理解Java并发：synchronized关键字
下一篇
标签   Java并发
本篇内容包括：为什么使用 Lock、Lock 锁注意事项、ReentrantLock 和 synchronized 对比、ReentrantLock （加锁、解锁、公平锁与非公平锁、ReentrantLock 如何实现可重入）等内容。

一、Lock 锁

1、为什么使用 Lock

synchronized 线程等待时间过长，获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，这将极大的影响程序执行效率。

synchronized 操作场景，如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

2、注意事项

也就是说 Lock 提供了比 synchronized 更多的功能。但是要注意以下几点

  • Lock 不是 Java 语言内置的，synchronized 是 Java 语言的关键字，因此是内置特性。Lock 是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
  • Lock 和 synchronized 有一点非常大的不同，采用 synchronized 不需要用户去手动释放锁，当 synchronized 方法或者 synchronized 代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock 则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

3、ReentrantLock 和 synchronized

ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个类，是独占锁，为最后一个执行 lock 操作成功且为释放锁的线程锁拥有

ReentrantLock 是可重入的互斥锁，虽然具有与 synchronized 相同功能，但是会比 synchronized 更加灵活

ReentrantLock 使用代码实现了和 synchronized 一样的语义，包括可重入，保证内存可见性和解决竞态条件问题等。与 synchronized 相较之下：

  • 便利性：Synchronized 用法更简洁，由编译器去保证锁的加锁和释放; ReenTrantLock 需要手动加锁和释放锁，为了避免忘记手工释放锁造成死锁，所以最好在 finally 中声明释放锁。
  • 锁的细粒度和灵活度：ReenTrantLock 优于 Synchronized

此外，以下特点是 ReenTrantLock 独有：

  • ReenTrantLock 可以指定是公平锁还是非公平锁; synchronized 只能是非公平锁。
  • ReenTrantLock 提供了一个 Condition 类，用来实现唤醒特定的线程; synchronized 要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。
  • ReenTrantLock 提供了一种能够中断等待锁的线程的机制。

二、ReentrantLock

ReentrantLock，它是一个“可重入”锁。

什么是“可重入”？简单地讲就是：“同一个线程对于已经获得到的锁，可以多次继续申请到该锁的使用权”

正经地讲就是：假如访问一个资源A需要获得其锁lock，如果之前没有其他线程获取该锁，那么当前线程就获锁成功，此时该线程对该锁后续所有“请求”都将立即得到“获锁成功”的返回，即同一个线程可以多次成功的获取到之前获得的锁。“可重入”可以解释成“同一个线程可多次获取”。

大致的特性

  • 基本锁的特性：加锁、解锁
  • ReentrantLock的补充特性：可重入、公平、非公平

1、加锁、解锁

这两个方法在源码中加锁方法即为lock()，解锁方法即为unLock() ，实现如下：

//加锁
public void lock() {
    sync.lock();
}

//释放锁
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

从上述可以知道这两个方法实际上是操作了一个叫做 sync 的对象，调用该对象的 lock 和 release 操作来实现，sync 是什么东西？ReentrantLock 类的源码片段：

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;
    private final Sync sync;
}

ReentrantLock 实现了 Lock 接口，操作其成员变量 sync 这个 AQS 的子类,来完成锁的相关功能。而 sync 这个成员变量有2种形态：NonfairSync 和 FairSync，在源码中，只有在2个构造函数的地方对sync对象做了初始化

/** 所有锁操作都是基于这个字段 */
private final Sync sync;
/**
 * 通过该构造函数创建额ReentrantLock是一个非公平锁
 */
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
/**
 * 如果入参为true，则创建公平的ReentrantLock；
 * 否则，创建非公平锁
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

这两个对象（NonfairSync和NonfairSync）也是 ReentrantLock 的内部类，FairSync 和 NonFairSync 在类结构上完全一样且均继承于 Sync。

img

ReentrantLock的构造函数中，默认的无参构造函数将会把Sync对象创建为NonfairSync对象，这是一个“非公平锁”；而另一个构造函数ReentrantLock(boolean fair)传入参数为true时将会把Sync对象创建为“公平锁”FairSync

2、公平锁与非公平锁

img

FairSync 在 tryAquire 方法中，当判断到锁状态字段state == 0 时，不会立马将当前线程设置为该锁的占用线程，而是去判断是在此线程之前是否有其他线程在等待这个锁（执行hasQueuedPredecessors() 方法），如果是的话，则该线程会加入到等待队列中，进行排队（FIFO，先进先出的排队形式）。这也就是为什么 FairSync 可以让线程之间公平获得该锁。

NoFairSync的tryAquire 方法中，没有判断是否有在此之前的排队线程，而是直接进行获锁操作，因此多个线程之间同时争用一把锁的时候，谁先获取到就变得随机了，很有可能线程A比线程B更早等待这把锁，但是B却获取到了锁，A继续等待（这种现象叫做：线程饥饿）

到此，我们已经大致理解了 ReentrantLock 是如何做到不同线程如何“公平”和“非公平”获锁。

3、如何实现可重入

我们有提到加锁操作会对 state 字段进行 +1 操作

这里需要注意到 AQS 中很多内部变量的修饰符都是采用的 volital，然后配合 CAS 操作来保证 AQS 本身的线程安全（因为 AQS 自己线程安全,基于它的衍生类才能更好地保证线程安全）,这里的 state 字段就是 AQS 类中的一个用 volitale 修饰的 int 变量

state 字段初始化时,值为 0。表示目前没有任何线程持有该锁。当一个线程每次获得该锁时，值就会在原来的基础上加 1，多次获锁就会多次加 1（指同一个线程），这里就是可重入。因为可以同一个线程多次获锁，只是对这个字段的值在原来基础上加1; 相反 unlock 操作也就是解锁操作，实际是是调用 AQS 的 release 操作，而每执行一次这个操作，就会对 state 字段在原来的基础上减1，当 state==0 的 时候就表示当前线程已经完全释放了该锁。

彻底理解Java并发：AQS抽象队列同步器
上一篇
彻底理解Java并发：synchronized关键字
下一篇