Java Note: 多线程的同步（互斥锁）的方法对比，信号量锁，读写锁的实现，生产者-消费者模式的实现

本文摘录自：http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17487337

Java 5中引入了新的锁机制——java.util.concurrent.locks中的显式的互斥锁：Lock接口，它提供了比synchronized更加广泛的锁定操作。Lock接口有3个实现它的类：ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock，即重入锁、读锁和写锁。

所以，读写锁在Java中的实现是用ReentranLock实现的。

ReentranLock与synchronized比较

不同的：

在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换，当有很多线程竞争锁的时候，会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。

synchronize代表一种悲观的并发策略，这种同步又称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。

而ReentranLock是基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地讲就是先进性操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据被争用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重拾，直到试成功为止）。

相同的：

基本语法上，ReentrantLock与synchronized很相似，它们都具备一样的线程重入特性。

同时，ReentrantLock有三个高级功能：

1、等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。而在等待由synchronized产生的互斥锁时，会一直阻塞，是不能被中断的。

2、可实现公平锁：多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序排队等待，而非公平锁则不保证这点，在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁时非公平锁，ReentrantLock默认情况下也是非公平锁，但可以通过构造方法ReentrantLock（ture）来要求使用公平锁。公平锁确保下一个进入临界区的线程是最先开始等待的线程。

3、锁可以绑定多个条件：ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象（名曰：条件变量或条件队列），而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含条件，但如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么做，只需要多次调用newCondition（）方法（方法返回一个条件锁，可以调用await()和signal和signalAll等方法）即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程（即与Condition对象绑定在一起的其他线程）。

使用方法如下：

Java总体而言，更支持Synchronized的同步方法来消除race condition。但从Java1.6开始，Java也提供了在调用的类中添加Lock对象的类成员，然后在类方法中调用Lock对象的lock()方法来加锁的语法。这种Lock对象加锁的方法可以在某些领域中比Synchronized更有用[1]：

1.某个线程在等待一个锁的控制权的这段时间需要中断

2.需要分开处理一些wait-notify，ReentrantLock里面的Condition应用，能够控制notify哪个线程

3.具有公平锁功能，每个到来的线程都将排队等候

一般，我们会使用Lock的ReentrantLock这个实现类来实现Lock的功能。可重入锁具有可重入的特点。意思就是说，一个线程可以对已经被加锁的对象，继续加锁。在这一点上，和Synchronized是一样的。之前提过，一旦一个线程进入“浴室隔间”，其它人就只能在外面等着。因为所有的对象级别的同步方法都会被锁上。这时候，如果已经进入浴室的那个线程想再调用其它的“浴室隔间”，是没有问题的。这就是可重入的问题。在我进入了一个ReentrantLock的.lock()的方法之后，我可以继续调用其它有.lock()的方法。然后，这个ReentrantLock的对象就会在锁计数器中加1。每次加一都需要在进入的方法块中的finally
中调用.unlock()来-1同时释放锁。直到计数器到0。那个进去隔间的线程出来了，其它线程才能进入锁的临界区（隔间）。

当然，ReentrantLock有Synchronized不具备的功能：

1）提供tryLock,如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false，不会再继续尝试。

2）提供tryLock(long timeout,TimeUnit unit)， 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false；

3）如果是Synchronized，一个线程无法获得锁对象，则会继续无休止等待。而Lock.lock()也是一样的原理。但如果使用ReentrantLock的lockInterruptibly()，可以使得该线程进入中断。转而先做其它事情。使用的原理是：Java的中断机制。通过让等待的线程接收到了lock.lockInterruptibly()中断，并且有效处理了这个“异常”来放弃等待。转而做别的事情。

locks.Lock是locks.ReentrantLock的接口。通过ReentrantLock的对象方法.newCondition创建一个Condition的对象。和Object的wait和notify/ notifyAll一样，Condition.await()会抛出Interrupted异常，signal和signalAll则不会。不同condition可以让不同的线程wait。再用相同的condition去唤醒之前用同一个condition.await的线程。使用方法可参考：

注意，Lock对象和Synchronized最大的不同是Synchronized会在同步代码块块抛出异常时，依然释放锁。但是，Lock不会。所以在使用Lock对象的时候需要这么写：

public class Test{
private final ReentrantLock test_lock = new ReentrantLock();
...
public void testFunct(){
test_lock.lock(); //上锁
try{
//执行相应的同步代码

}

finally{
test_lock.unlock();
}
}
}

Java的读写锁是通过如下的方式实现的：

Java 5中提供了读写锁，它将读锁和写锁分离，使得读读操作不互斥，获取读锁和写锁的一般形式如下：

ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
rwl.writeLock().lock()  //获取写锁
rwl.readLock().lock()  //获取读锁

用读锁来锁定读操作，用写锁来锁定写操作，这样写操作和写操作之间会互斥，读操作和写操作之间会互斥，但读操作和读操作就不会互斥。

Java的信号量锁是通过Semaphore类实现的：


Semaphore当前在多线程环境下被扩放使用，操作系统的信号量是个很重要的概念，在进程控制方面都有应用。Java 并发库 的Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个数，通过 acquire() 获取一个许可，而 release() 释放一个许可。

下面这个例子来自：http://www.cnblogs.com/whgw/archive/2011/09/29/2195555.html

使用线程池描述了Semaphore的使用：

// 线程池
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

// 只能5个线程同时访问
final Semaphore semp = new Semaphore(5);

// 模拟20个客户端访问
for (int index = 0; index < 20; index++) {

final int NO = index;

Runnable run = new Runnable() {

public void run() {

try {

// 获取许可

semp.acquire();

System.out.println("Accessing: " + NO);

Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

// 访问完后，释放

semp.release();

System.out.println("-----------------"+semp.availablePermits());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

e303

}

}

};

exec.execute(run);

}

// 退出线程池

exec.shutdown();

生产者-消费者模式的最简单实现（利用Object的notify()和wait()方法）：


wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法，也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法，这样，我们就可以为任何对象实现同步机制。

wait()方法：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等等状态，让其他线程执行。

notify()方法：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

代码来源：http://blog.csdn.net/monkey_d_meng/article/details/6251879

public class Storage
{
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100;

// 仓库存储的载体
private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();

// 生产num个产品
public void produce(int num)
{
// 同步代码段
synchronized (list)
{
// 如果仓库剩余容量不足
while (list.size() + num > MAX_SIZE)
{
System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
+ list.size() + "/t暂时不能执行生产任务!");
try
{
// 由于条件不满足，生产阻塞
list.wait();
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
}

// 生产条件满足情况下，生产num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i)
{
list.add(new Object());
}

System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

list.notifyAll();
}
}

// 消费num个产品
public void consume(int num)
{
// 同步代码段
synchronized (list)
{
// 如果仓库存储量不足
while (list.size() < num)
{
System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
+ list.size() + "/t暂时不能执行生产任务!");
try
{
// 由于条件不满足，消费阻塞
list.wait();
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
}

// 消费条件满足情况下，消费num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i)
{
list.remove();
}

System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

list.notifyAll();
}
}
}

生产者-消费者较为复杂的实现（条件锁）：

Java 5之后，我们可以用Reentrantlock锁配合Condition对象上的await（）和signal（）或signalAll（）方法来实现线程间协作。在ReentrantLock对象上newCondition（）可以得到一个Condition对象，可以通过在Condition上调用await（）方法来挂起一个任务（线程），通过在Condition上调用signal（）来通知任务，从而唤醒一个任务，或者调用signalAll（）来唤醒所有在这个Condition上被其自身挂起的任务。另外，如果使用了公平锁，signalAll（）的与Condition关联的所有任务将以FIFO队列的形式获取锁，如果没有使用公平锁，则获取锁的任务是随机的，这样我们便可以更好地控制处在await状态的任务获取锁的顺序。与notifyAll（）相比，signalAll（）是更安全的方式。

理论上来说，条件所的await()和signal()是可以完全替代wait()和notify()的。而且由于可以实现公平锁，比wait()和notify()更优秀。

import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.locks.*;

class Info{ // 定义信息类
private String name = "name";//定义name属性，为了与下面set的name属性区别开
private String content = "content" ;// 定义content属性，为了与下面set的content属性区别开
private boolean flag = true ;   // 设置标志位,初始时先生产
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象
public  void set(String name,String content){
lock.lock();
try{
while(!flag){
condition.await() ;
}
this.setName(name) ;    // 设置名称
Thread.sleep(300) ;
this.setContent(content) ;  // 设置内容
flag  = false ; // 改变标志位，表示可以取走
condition.signal();
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}finally{
lock.unlock();
}
}

public void get(){
lock.lock();
try{
while(flag){
condition.await() ;
}
Thread.sleep(300) ;
System.out.println(this.getName() +
" --> " + this.getContent()) ;
flag  = true ;  // 改变标志位，表示可以生产
condition.signal();
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace() ;
}finally{
lock.unlock();
}
}
}