并发编程 (14)Lock和Condition（上）：隐藏在并发包中的管程

末蓝、 2023-06-20 06:13 41阅读 0赞

Java SDK 并发包内容很丰富，包罗万象，但是我觉得最核心的还是其对管程的实现。因为理论上利用管程，你几乎可以实现并发包里所有的工具类。在前面[《**并发编程(9)管程：并发编程的万能钥匙**》][9]中我们提到过在并发编程领域，有两大核心问题：一个是**互斥**，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是**同步**，即线程之间如何通信、协作。这两大问题，管程都是能够解决的。**Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题**。

今天我们重点介绍 Lock 的使用，在介绍 Lock 的使用之前，有个问题需要你首先思考一下：Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现，既然 Java 从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢？难道 Java 标准委员会还能同意“重复造轮子”的方案？很显然它们之间是有巨大区别的。那区别在哪里呢？如果能深入理解这个问题，对你用好 Lock 帮助很大。下面我们就一起来剖析一下这个问题。

## 再造管程的理由 ##

你也许曾经听到过很多这方面的传说，例如在 Java 的 1.5 版本中，synchronized 性能不如 SDK 里面的 Lock，但 1.6 版本之后，synchronized 做了很多优化，将性能追了上来，所以 1.6 之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。那性能是否可以成为“重复造轮子”的理由呢？显然不能。因为性能问题优化一下就可以了，完全没必要“重复造轮子”。

到这里，关于这个问题，你是否能够想出一条理由来呢？如果你细心的话，也许能想到一点。那就是我们前面在介绍死锁问题的时候，提出了一个**破坏不可抢占条件**方案，但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但我们希望的是：

> 对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？我觉得有三种方案。

1.  **能够响应中断**。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
2.  **支持超时**。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
3.  **非阻塞地获取锁**。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的 API
    void lockInterruptibly() 
      throws InterruptedException;
    // 支持超时的 API
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 
      throws InterruptedException;
    // 支持非阻塞获取锁的 API
    boolean tryLock();

## 如何保证可见性 ##

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是`try{}finally{}`，需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。这个范例无需多解释，你看一下下面的代码就明白了。但是有一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。你已经知道 Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有一条 synchronized 相关的规则：synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？例如在下面的代码中，线程 T1 对 value 进行了 +=1 操作，那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗？

class X { 
      private final Lock rtl =
      new ReentrantLock();
      int value;
      public void addOne() { 
        // 获取锁
        rtl.lock();  
        try { 
          value+=1;
        } finally { 
          // 保证锁能释放
          rtl.unlock();
        }
      }
    }

答案必须是肯定的。**Java SDK 里面锁**的实现非常复杂，这里我就不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是**利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则**。Java SDK 里面的 ReentrantLock，内部持有一个 volatile 的成员变量 state，获取锁的时候，会读写 state 的值；解锁的时候，也会读写 state 的值（简化后的代码如下面所示）。也就是说，在执行 value+=1 之前，程序先读写了一次 volatile 变量 state，在执行 value+=1 之后，又读写了一次 volatile 变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则：

1.  **顺序性规则**：对于线程 T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock()；
2.  **volatile 变量规则**：由于 state = 1 会先读取 state，所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作；
3.  **传递性规则**：线程 T1 的 value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

class SampleLock { 
      volatile int state;
      // 加锁
      lock() { 
        // 省略代码无数
        state = 1;
      }
      // 解锁
      unlock() { 
        // 省略代码无数
        state = 0;
      }
    }

所以说，后续线程 T2 能够看到 value 的正确结果。如果你觉得理解起来还有点困难，建议你重温一下前面我们讲过的[《并发编程 (3)Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题》][_3_Java_Java]里面的相关内容。

## 什么是可重入锁 ##

如果你细心观察，会发现我们创建的锁的具体类名是 ReentrantLock，这个翻译过来叫**可重入锁**，这个概念前面我们一直没有介绍过。**所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁**。例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1 可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。

除了可重入锁，可能你还听说过可重入函数，可重入函数怎么理解呢？指的是线程可以重复调用？显然不是，所谓**可重入函数，指的是多个线程可以同时调用该函数**，每个线程都能得到正确结果；同时在一个线程内支持线程切换，无论被切换多少次，结果都是正确的。多线程可以同时执行，还支持线程切换，这意味着什么呢？线程安全啊。所以，可重入函数是线程安全的。

class X { 
      private final Lock rtl =
      new ReentrantLock();
      int value;
      public int get() { 
        // 获取锁
        rtl.lock();         ②
        try { 
          return value;
        } finally { 
          // 保证锁能释放
          rtl.unlock();
        }
      }
      public void addOne() { 
        // 获取锁
        rtl.lock();  
        try { 
          value = 1 + get(); ①
        } finally { 
          // 保证锁能释放
          rtl.unlock();
        }
      }
    }

## 公平锁与非公平锁 ##

在使用 ReentrantLock 的时候，你会发现 ReentrantLock 这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

// 无参构造函数：默认非公平锁
    public ReentrantLock() { 
        sync = new NonfairSync();
    }
    // 根据公平策略参数创建锁
    public ReentrantLock(boolean fair){ 
        sync = fair ? new FairSync() 
                    : new NonfairSync();
    }

在前面[《**并发编程(9)管程：并发编程的万能钥匙**》][9]中，我们介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

## 用锁的最佳实践 ##

你已经知道，用锁虽然能解决很多并发问题，但是风险也是挺高的。可能会导致死锁，也可能影响性能。这方面有是否有相关的最佳实践呢？有，还很多。但是我觉得最值得推荐的是并发大师 Doug Lea《Java 并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践，它们分别是：

> 1.  永远只在更新对象的成员变量时加锁
> 2.  永远只在访问可变的成员变量时加锁
> 3.  永远不在调用其他对象的方法时加锁

这三条规则，前两条估计你一定会认同，最后一条你可能会觉得过于严苛。但是我还是倾向于你去遵守，因为调用其他对象的方法，实在是太不安全了，也许“其他”方法里面有线程 sleep() 的调用，也可能会有奇慢无比的 I/O 操作，这些都会严重影响性能。更可怕的是，“其他”类的方法可能也会加锁，然后双重加锁就可能导致死锁。

**并发问题，本来就难以诊断，所以你一定要让你的代码尽量安全，尽量简单，哪怕有一点可能会出问题，都要努力避免。**

## 总结 ##

Java SDK 并发包里的 Lock 接口里面的每个方法，你可以感受到，都是经过深思熟虑的。除了支持类似 synchronized 隐式加锁的 lock() 方法外，还支持超时、非阻塞、可中断的方式获取锁，这三种方式为我们编写更加安全、健壮的并发程序提供了很大的便利。希望你以后在使用锁的时候，一定要仔细斟酌。

除了并发大师 Doug Lea 推荐的三个最佳实践外，你也可以参考一些诸如：减少锁的持有时间、减小锁的粒度等业界广为人知的规则，其实本质上它们都是相通的，不过是在该加锁的地方加锁而已。你可以自己体会，自己总结，最终总结出自己的一套最佳实践来。

## 课后思考 ##

[9]: https://blog.csdn.net/cowbin2012/article/details/103440801
[_3_Java_Java]: https://blog.csdn.net/cowbin2012/article/details/103439814