Java并发锁和条件

傷城~ 2023-10-05 18:57 92阅读 0赞

Java并发框架提供了外部锁，这些锁类似于进入同步块而获得的固有锁，但具有灵活性并提供其他功能。在本教程中，您可以通过示例学习Lock和ReadWriteLock接口，ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock锁实现和条件。

#### 锁具 ####

当线程进入语句或同步方法的同步块时，它获取感兴趣的对象的锁，线程之间存在共享的数据，以避免数据损坏。锁一次仅允许一个线程访问共享资源。但是以这种方式获得的固有锁定具有有限的操作。它不是灵活的，因为只能在它进入一个块时才能获取，并且必须在存在该块时才释放。如果一个线程获取多个锁，则它们必须以相反的顺序释放，这意味着最后获取的锁是要释放的第一个锁，然后是第二个最新的锁，依此类推。

Java并发框架锁提供了广泛的锁定操作并具有灵活性。并发框架中提供的锁实现允许在任何范围内获取和释放锁，这意味着释放锁，不必像固有锁那样遵循顺序。此功能称为“交接”或“链式锁定”，通过该功能，线程可以获取锁A和锁B，然后释放锁A，然后获取锁C，依此类推。

使用此外部锁，线程可以尝试在特定时间段内获取锁，如果在指定的时间段内无法获取锁，则可以退出，或者如果没有锁，则线程可以立即退出。而且，当线程正在等待或尝试获取锁时，如果线程被中断，该操作将不会阻塞该线程。

与内在锁一样，Lock对象可以一次由一个线程拥有，并且可以使用等待和通知机制来实现线程间通信。条件对象提供了一种让线程等待条件改变并被其他线程通知的手段。

#### 锁界面 ####

Java并发框架中的锁接口定义了用于获取不同形式的锁的方法。方法lock（）与内部锁定类似，如果无法获取锁定并可能导致死锁，则可以阻止当前线程。

方法lockInterruptible（）允许当前线程获取锁（如果可用）并且该线程不被中断。如果锁不可用并且线程没有中断，它将等待直到锁可用。

方法tryLock（）允许当前不间断的线程获取锁（如果有）。否则，它将退出或重试，直到指定的时间到期为止，具体取决于tryLock（）方法的版本。

方法unlock（）释放锁定。最佳做法是将语句块（在获取锁之后执行）保留在try块中，并在finally块中的锁对象上调用unlock方法以释放锁。

#### ReentrantLock示例 ####

ReentrantLock实现了Lock接口，它类似于内部锁。当前线程通过对其调用锁方法来获得锁。如果锁不可用，线程将阻止等待锁。当多个线程等待锁定时，可以使用公平策略机制通过给它最长的等待线程，使ReentrantLock赋予优先级。具有公平政策的ReentrantLock可以通过将真实值传递给其构造函数来创建。

除了实现在Lock接口中定义的方法外，ReentrantLock还提供诸如getHoldCount（），getOwner（），getQueuedThreads（），isFiar（），isHeldByCurrentThread（）和newConditions（）之类的方法。

下面的示例演示如何使用ReentrantLock。该示例实例化ReentrantLock对象，并在两个线程中对其调用lock方法。第一个线程获取锁并执行任务，而第二个线程等待锁被释放。在第一个线程执行完毕后，第二个线程获得锁定。在finally块中调用方法unlock来释放锁。要检查当前线程是否获得锁定，可以使用isHeldByCurrentThread（）方法。

public static void main(String[] args) {
    
    	ReentrantLock rlock =  new ReentrantLock(true);
    
    	Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			rlock.lock();
    			try {
    				if(rlock.isHeldByCurrentThread()) {
    					System.out.println("thread one lock obtained");
    					Thread.sleep(5000);
    				}
    
    			} catch (InterruptedException e) {	}
    			finally {
    				if(rlock.isHeldByCurrentThread()) {
    					rlock.unlock();
    				}
    			}
    		}			
    	});		
    	Thread threadTwo = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			rlock.lock();
    			try {
    				if(rlock.isHeldByCurrentThread()) {
    					System.out.println("thread two lock obtained");
    				}
    			}finally {
    				if(rlock.isHeldByCurrentThread()) {
    					rlock.unlock();
    				}
    			}
    		}			
    	});		
    	threadOne.start();
    	threadTwo.start();
    	System.out.println("main thread");
    }

输出量

thread one lock obtained
    main thread
    thread two lock obtained

如果您调用tryLock（）方法来获得两个线程中的锁定，则第二个线程将不会阻塞并继续执行。这是使用tryLock（）而不是lock（）的上述程序的输出

thread one lock obtained
    main thread

您可以使线程尝试锁定一定的时间。

try {
    		rlock.tryLock(5500, TimeUnit.MILLISECONDS);
    	} catch (InterruptedException e) {
    
    	}

如果在我们的示例中将上述代码添加到第二个线程，则将获得类似于第一个用例的输出。唯一的区别是，如果第二个线程通过在其上调用interrupt（）方法而中断，则tryLock将抛出被中断的异常，并且不会阻塞等待锁定的线程。

您也可以使用lockInterruptible（）方法获得锁，lock和lockInterruptible方法之间的区别在于，如果当前线程被中断，lockInterruptible方法不会阻塞或不提供锁。

#### 读锁 ####

线程可以使用ReadWriteLock获得读锁定和写锁定。读锁用于只读操作，写锁用于写操作。获得读锁的线程可以查看由先前释放写锁的线程进行的更新。

尽管ReadWriteLock具有读写锁定，但在给定的时间点仅使用一个锁定（读取锁定或写入锁定）。但是，只要没有写程序，多个线程就可以同时拥有读锁。ReadWriteLock可以提高读取次数和写入次数的性能，因为多个线程可以同时拥有读取锁。

ReadWriteLock接口为线程定义了两种获取读和写锁的方法，分别为readLock（）和writeLock（）。ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock接口的实现。

#### ReentrantReadWriteLock示例 ####

以下示例显示如何使用ReentrantReadWriteLock使用读写锁。

public class ShoppingCart {
    	private List<String> products = new ArrayList<String>();
    	
    	public String getProduct(int i) {
    		return products.get(i);
    	}
    	
    	public void addProduct(String name) {
    		products.add(name);
    	}
    }

public static void main(String[] args) {
    
    	//instantiate share object
    	ShoppingCart scart = new ShoppingCart();
    	scart.addProduct("iphone");
    	
    	//instantiate ReentrantReadWriteLock
    	ReentrantReadWriteLock rrwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    
    	Thread threadRead = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			ReadLock rl = rrwlock.readLock();
    			try {
    				//obtain read lock, so that no write occur during reading
    				rl.lock();
    				//read from shared object
    				System.out.println(scart.getProduct(0));
    				Thread.sleep(1000);
    			} catch (InterruptedException e) {	}
    			finally {
    				//release read lock
    				rl.unlock();
    			}
    		}			
    	});		
    	Thread threadWrite = new Thread(new Runnable() {
    		@Override
    		public void run() {
    			//get write lock
    			//lock() block current thread till it acquires write lock
    			//if you don't want to block current thread, use tryLock()
    			rrwlock.writeLock().lock();
    			try {				
    				//if tryLock() is used, check if write lock is obtained
    				if(rrwlock.isWriteLockedByCurrentThread()) {
    					//write to shared object
    					scart.addProduct("pixel");
    					System.out.println("thread write lock obtained");
    					Thread.sleep(1000);
    				}
    			}catch (InterruptedException e) {	}
    			finally {
    				if(rrwlock.isWriteLockedByCurrentThread()) {
    					//release or unlock write lock
    					rrwlock.writeLock().unlock();
    				}
    			}
    		}			
    	});	
    	
    	threadRead.start();
    	threadWrite.start();		
    	
    	System.out.println("main thread");
    }

通过将真实值传递给其构造函数，可以在公平模式下使用ReentrantReadWriteLock。在公平模式下使用时，ReentrantReadWriteLock将写锁定分配给等待时间最长的线程。如果线程组正在等待读取锁，则它将读取锁分配给该组。在非公平模式下使用时，将不维护授予锁的顺序。

ReentrantReadWriteLock rrwlock = new ReentrantReadWriteLock(true);

ReentrantReadWriteLock支持重入，这意味着获得读取锁定的读取器可以重新获得读取锁定。类似地，获得写锁定的写程序可以重新获得写锁定。而且，获得了写锁的写程序可以获取读锁，但是不允许反向，这意味着允许写到读降级，并且读到写锁不能升级。在编写者调用使用读锁的方法的情况下，重入非常有用。

rrwlock.writeLock().lock();
    	rrwlock.readLock().lock();
    	try {				
    		//do something
    	}finally {
    		rrwlock.readLock().unlock();
    		rrwlock.writeLock().unlock();
    	}

rrwlock.writeLock().lock();
    	rrwlock.writeLock().lock();
    	try {				
    		//do something
    	}finally {
    		rrwlock.writeLock().unlock();
    		rrwlock.writeLock().unlock();
    	}

#### 健康）状况 ####

就像线程在使用内部锁来限制对共享对象的访问时使用对象的wait（），notify（）和notifyAll（）方法进行通信一样，当使用外部锁时，Condition允许线程间通信。条件定义了挂起线程直到另一个线程通知它的机制。使用条件时，可以使用外部锁避免死锁问题。

条件对象是通过在锁对象ReentrantLock或ReentrantReadWriteLock上调用newCondition（）方法获得的。条件定义用于等待和通知的方法，例如await（），signal（）和signalAll（）。重载的await（）方法允许您指定等待的持续时间。方法siganlAll（）通知所有等待线程。

#### 条件示例 ####

下面的示例演示在使用ReentrantLock限制访问共享消息对象（其中包含发布和查看消息的方法）时，如何使用条件对象在两个线程之间进行通信。如果未消耗最后一条消息，则发布消息线程将使用条件对象等待并在其上调用awaits（）。同样，如果没有新消息，则视图消息线程将使用另一个条件对象等待并在其上调用awaits方法。

当发布消息线程设置新消息时，它将通过在等待视图消息线程等待的条件对象上调用signal（）来通知视图消息线程。同样，当查看消息线程使用该消息时，它将通过在等待发布消息线程正在等待的条件对象上调用signal（）方法来通知发布消息线程。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class Message {
    
    	final private Lock lock = new ReentrantLock();
    	final private Condition producedMsg  = lock.newCondition(); 
    	final private Condition consumedMsg = lock.newCondition(); 
    
    	private String message;
    	private boolean messageState;
    	private boolean endIt;
    
    	public void viewMessage() {
    		//lock
    		lock.lock();
    		try {
    			//no new message wait for new message
    			while (!messageState) 
    				producedMsg.await();
    
    			System.out.println("Here is the latest message : "+message);
    			messageState = false;
    			//message consumed, notify waiting thread
    			consumedMsg.signal();
    
    		}catch(InterruptedException ie) {
    			System.out.println("Thread interrupted - viewMessage");
    		}finally {
    			lock.unlock();
    		}
    	}
    	public void publishMessage(String message) {
    		lock.lock();
    		try {
    			//last message not consumed, wait for it be consumed
    			while (messageState) 
    				consumedMsg.await();
    
    			System.out.println("adding latest message ");
    			this.message = message;
    			messageState = true;
    			//new message added, notify waiting thread
    			producedMsg.signal();
    
    		}catch(InterruptedException ie) {
    			System.out.println("Thread interrupted - publishMessage");
    		}finally {
    			lock.unlock();
    		}
    
    	}
    	
    	public boolean isEndIt() {
    		return endIt;
    	}
    	public void setEndIt(boolean endIt) {
    		this.endIt = endIt;
    	}
    }

消息生产者。

public class MessageProducer implements Runnable {
    	private Message message;
    
    	public MessageProducer(Message msg) {
    		message = msg;
    	}
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		pusblishMessages();
    	}
    	
    	private void pusblishMessages(){
    		List<String> msgs = new ArrayList<String>();
    		msgs.add("hello");
    		msgs.add("current project is complete");
    		msgs.add("here is the estimation for new project");		
    		
    		for(String msg :  msgs) {
    			message.publishMessage(msg);
    			try {
    	            Thread.sleep(400);
    	        } catch (InterruptedException e) {}
    		}
    		
    		message.publishMessage("bye");
    		message.setEndIt(true);
    	}
    }

邮件查看器。

public class MessageViewer implements Runnable{
    	private Message message;
    
    	public MessageViewer(Message msg) {
    		message = msg;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		while(!message.isEndIt())
    			message.viewMessage();
    	}
    }

启动两个线程。

public static void main(String[] args) {
    	
    	Message msg = new Message();
    	Thread messageProducer = new Thread(new MessageProducer(msg));
    	Thread messageViewer = new Thread(new MessageViewer(msg));
    	messageProducer.start();
    	messageViewer.start();
    
    }