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王軍偉Tech · 更新于 2020-08-12

并發(fā)鎖之 Lock 接口

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是對(duì) Java 并發(fā)鎖之 Lock 接口進(jìn)行介紹，Lock 是類(lèi)似于 synchronized 的另外一種鎖的使用，那么本節(jié)我們會(huì)對(duì) Lock 進(jìn)行詳細(xì)的介紹，主要知識(shí)點(diǎn)如下：

  • Lock 接口的介紹，這是我們開(kāi)始認(rèn)識(shí) Lock 的敲門(mén)磚，本節(jié)課程的基礎(chǔ)知識(shí)；
  • Lock 接口相比于 synchronized 關(guān)鍵字的優(yōu)點(diǎn)，這也是我們學(xué)習(xí) Lock 接口的意義所在；
  • Lock 接口的常用方法介紹，了解 Lock 接口中的常用方法，是本節(jié)內(nèi)容的核心知識(shí)點(diǎn)。

Lock 是一個(gè)接口，并非一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)，本節(jié)內(nèi)容主要對(duì) Lock 接口進(jìn)行一個(gè)意義、結(jié)構(gòu)及方法的介紹，為后續(xù)講解 Lock 接口的實(shí)現(xiàn)類(lèi)常用鎖奠定一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2. Lock 接口的介紹

Lock 接口的誕生：在 Java 中鎖的實(shí)現(xiàn)可以由 synchronized 關(guān)鍵字來(lái)完成，但在 Java5 之后，出現(xiàn)了一種新的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即 Lock 接口。

誕生的意義：Lock 接口支持那些語(yǔ)義不同（重入、公平等）的鎖規(guī)則，可以在非阻塞式結(jié)構(gòu)的上下文（包括 hand-over-hand 和鎖重排算法）中使用這些規(guī)則。主要的實(shí)現(xiàn)是 ReentrantLock。對(duì)于 ReentrantLock，后續(xù)有專(zhuān)門(mén)的小節(jié)進(jìn)行講解。

JDK 1.5 前的 synchronized：在多線程的情況下，當(dāng)一段代碼被 synchronized 修飾之后，同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程訪問(wèn)，其他線程都必須等到該線程釋放鎖之后才能有機(jī)會(huì)獲取鎖訪問(wèn)這段代碼。

Lock 接口： 實(shí)現(xiàn)提供了比使用 synchronized 方法和語(yǔ)句可獲得的更廣泛的鎖定操作。此實(shí)現(xiàn)允許更靈活的結(jié)構(gòu)，可以具有差別很大的屬性，可以支持多個(gè)相關(guān)的 Condition 對(duì)象。

Lock 相對(duì)于 synchronized 關(guān)鍵字而言更加靈活，你可以自由得選擇你想要加鎖的地方。當(dāng)然更高的自由度也帶來(lái)更多的責(zé)任。

使用示例：我們通常會(huì)在 try catch 模塊中使用 Lock 關(guān)鍵字，在 finally 模塊中釋放鎖。

	 Lock lock = new ReentrantLock(); //通過(guò)子類(lèi)進(jìn)行創(chuàng)建，此處以ReentrantLock進(jìn)行舉例
     lock.lock(); //加鎖
     try {
         // 對(duì)上鎖的邏輯進(jìn)行操作
     } finally {
         lock.unlock(); //釋放鎖
     }

3. Lock 接口與 synchronized 關(guān)鍵字的區(qū)別

  • 實(shí)現(xiàn)：synchronized 關(guān)鍵字基于 JVM 層面實(shí)現(xiàn)，JVM 控制鎖的獲取和釋放。Lock 接口基于 JDK 層面，手動(dòng)進(jìn)行鎖的獲取和釋放；
  • 使用：synchronized 關(guān)鍵字不用手動(dòng)釋放鎖，Lock 接口需要手動(dòng)釋放鎖，在 finally 模塊中調(diào)用 unlock 方法；
  • 鎖獲取超時(shí)機(jī)制：synchronized 關(guān)鍵字不支持，Lock 接口支持；
  • 獲取鎖中斷機(jī)制：synchronized 關(guān)鍵字不支持，Lock 接口支持；
  • 釋放鎖的條件：synchronized 關(guān)鍵字在滿足占有鎖的線程執(zhí)行完畢，或占有鎖的線程異常退出，或占有鎖的線程進(jìn)入 waiting 狀態(tài)才會(huì)釋放鎖。Lock 接口調(diào)用 unlock 方法釋放鎖；
  • 公平性：synchronized 關(guān)鍵字為非公平鎖。Lock 接口可以通過(guò)入?yún)⒆孕性O(shè)置鎖的公平性。

4. Lock 接口相比 synchronized 關(guān)鍵字的優(yōu)勢(shì)

我們通過(guò)兩個(gè)個(gè)案例分析來(lái)了解 Lock 接口的優(yōu)勢(shì)所在。
案例 1 ：在使用 synchronized 關(guān)鍵字的情形下，假如占有鎖的線程由于要等待 IO 或者其他原因（比如調(diào)用 sleep 方法）被阻塞了，但是又沒(méi)有釋放鎖，那么其他線程就只能一直等待，別無(wú)他法。這會(huì)極大影響程序執(zhí)行效率。

案例 1 分析：該案例體現(xiàn)了 synchronized 的缺陷，當(dāng)線程被占有時(shí)，其他線程會(huì)陷入無(wú)條件的長(zhǎng)期等待。這是非常可怕的，因?yàn)橄到y(tǒng)資源有限，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

案例 1 解決：Lock 接口中的 tryLock (long time, TimeUnit unit) 方法或者響應(yīng)中斷 lockInterruptibly () 方法，能夠解決這種長(zhǎng)期等待的情況。

案例 2 ：我們知道，當(dāng)多個(gè)線程讀寫(xiě)文件時(shí)，讀操作和寫(xiě)操作會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象，寫(xiě)操作和寫(xiě)操作也會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象，但是讀操作和讀操作不會(huì)發(fā)生沖突現(xiàn)象。
但是如果采用 synchronized 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)同步的話，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)多個(gè)線程都只是進(jìn)行讀操作時(shí)，也只有一個(gè)線程可以進(jìn)行讀操作，其他線程只能等待鎖的釋放而無(wú)法進(jìn)行讀操作。

案例 2 分析：該案例體現(xiàn)了 synchronized 的缺陷，悲觀鎖的缺陷。我們說(shuō)過(guò)，如果只是讀操作，沒(méi)有增刪改操作的話，多線程環(huán)境下無(wú)需加鎖。但是這種情況下，如果在同一時(shí)間多個(gè)線程進(jìn)行讀操作，synchronized 會(huì) block 其他的讀操作，這是不合理的。

案例 2 解決：Lock 接口家族也可以解決這種情況，后續(xù)我們會(huì)對(duì) ReadWriteLock 接口的一個(gè)子類(lèi) ReentrantReadWriteLock 進(jìn)行講解。

總結(jié)：Lock 接口實(shí)現(xiàn)提供了比使用 synchronized 方法和語(yǔ)句可獲得的更廣泛的鎖定操作，能夠解決 synchronized 不能夠避免的問(wèn)題。

5. Lock 接口的常用方法

我們來(lái)簡(jiǎn)單的看下，JDK 中 Lock 接口的源碼中所包含的方法：

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

方法介紹：

  1. void lock()：獲取鎖。如果鎖不可用，出于線程調(diào)度目的，將禁用當(dāng)前線程，并且在獲得鎖之前，該線程將一直處于休眠狀態(tài)；
  2. void lockInterruptibly()：如果當(dāng)前線程未被中斷，則獲取鎖；
  3. boolean tryLock()：僅在調(diào)用時(shí)鎖為空閑狀態(tài)才獲取該鎖。如果鎖可用，則獲取鎖，并立即返回值 true。如果鎖不可用，則此方法將立即返回值 false；
  4. boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)：如果鎖在給定的等待時(shí)間內(nèi)空閑，并且當(dāng)前線程未被中斷，則獲取鎖；
  5. void unlock()：釋放鎖。在等待條件前，鎖必須由當(dāng)前線程保持。調(diào)用 Condition.await () 將在等待前以原子方式釋放鎖，并在等待返回前重新獲取鎖；
  6. Condition newCondition()：返回綁定到此 Lock 實(shí)例的新 Condition 實(shí)例。

Tips：對(duì) Lock 接口方法的使用，我們必須基于子類(lèi)進(jìn)行 Lock 的創(chuàng)建來(lái)展示，由于目前我們還未接觸 Lock 接口的實(shí)現(xiàn)子類(lèi)，此處只做方法的介紹。后續(xù)對(duì) ReentrantLock 進(jìn)行講解時(shí)，會(huì)進(jìn)行深入講解。

6. 小結(jié)

本節(jié)主要是對(duì) Lock 接口的常用方法進(jìn)行了介紹，為本節(jié)內(nèi)容的核心知識(shí)。除了方法的介紹外，本節(jié)內(nèi)容不容忽視的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是 synchronized 關(guān)鍵字與 Lock 接口的區(qū)別，以及 Lock 接口的優(yōu)勢(shì)所在。

掌握本節(jié)內(nèi)容，有助于同學(xué)對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)類(lèi)鎖的學(xué)習(xí)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。