Java基础——深入理解ReentrantLock

一、简介

       在Java中通常实现锁有两种方式，一种是synchronized关键字，另一种是Lock。二者其实并没有什么必然联系，但是各有各的特点，在使用中可以进行取舍的使用。

二、ReentrantLock与synchronized的比较

相同点：

（1）ReentrantLock提供了synchronized类似的功能和内存语义。

不同点：

    （1）ReentrantLock功能性方面更全面，比如定时等候锁、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。

    （4）对于使用者的直观体验上Lock是比较复杂的，需要lock和realse，通常需要在finally中进行锁的释放，否则，如果受保护的代码将抛出异常，就会产生死锁的问题，这一点区别看起来可能没什么，但是实际上，它极为重要。但是synchronized的使用十分简单，只需要对自己的方法或者关注的同步对象或类使用synchronized关键字即可，JVM 将确保锁会获得自动释放。但是对于锁的粒度控制比较粗，同时对于实现一些锁的状态的转移比较困难。


    （5） 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。

三、ReentrantLock

       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、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： 

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

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。 

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。

四、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()。

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。

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？

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！

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：

将当前线程加入Condition锁队列。特别说明的是，这里不同于AQS的队列，这里进入的是Condition的FIFO队列。后面会具体谈到此结构。进行2。
释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
自旋(while)挂起，直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
获取锁(acquireQueued)。并将自己从Condition的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。

       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。

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、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)。

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。

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。