详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法
Java多线程并发的程序中使用互斥锁有synchronized和ReentrantLock两种方式,这里我们来详解Java多线程编程中互斥锁ReentrantLock类的用法:
0.关于互斥锁
所谓互斥锁,指的是一次最多只能有一个线程持有的锁.在jdk1.5之前,我们通常使用synchronized机制控制多个线程对共享资源的访问.而现在,Lock提供了比synchronized机制更广泛的锁定操作,Lock和synchronized机制的主要区别:
synchronized机制提供了对与每个对象相关的隐式监视器锁的访问,并强制所有锁获取和释放均要出现在一个块结构中,当获取了多个锁时,它们必须以相反的顺序释放.synchronized机制对锁的释放是隐式的,只要线程运行的代码超出了synchronized语句块范围,锁就会被释放.而Lock机制必须显式的调用Lock对象的unlock()方法才能释放锁,这为获取锁和释放锁不出现在同一个块结构中,以及以更自由的顺序释放锁提供了可能。
1.ReentrantLock介绍
ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。
顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。
ReentrantLock函数列表
//创建一个ReentrantLock，默认是“非公平锁”。ReentrantLock()//创建策略是fair的ReentrantLock。fair为true表示是公平锁，fair为false表示是非公平锁。ReentrantLock(booleanfair)//查询当前线程保持此锁的次数。intgetHoldCount()//返回目前拥有此锁的线程，如果此锁不被任何线程拥有，则返回null。protectedThreadgetOwner()//返回一个collection，它包含可能正等待获取此锁的线程。protectedCollectiongetQueuedThreads()//返回正等待获取此锁的线程估计数。intgetQueueLength()//返回一个collection，它包含可能正在等待与此锁相关给定条件的那些线程。protectedCollectiongetWaitingThreads(Conditioncondition)//返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。intgetWaitQueueLength(Conditioncondition)//查询给定线程是否正在等待获取此锁。booleanhasQueuedThread(Threadthread)//查询是否有些线程正在等待获取此锁。booleanhasQueuedThreads()//查询是否有些线程正在等待与此锁有关的给定条件。booleanhasWaiters(Conditioncondition)//如果是“公平锁”返回true，否则返回false。booleanisFair()//查询当前线程是否保持此锁。booleanisHeldByCurrentThread()//查询此锁是否由任意线程保持。booleanisLocked()//获取锁。voidlock()//如果当前线程未被中断，则获取锁。voidlockInterruptibly()//返回用来与此Lock实例一起使用的Condition实例。ConditionnewCondition()//仅在调用时锁未被另一个线程保持的情况下，才获取该锁。booleantryLock()//如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程未被中断，则获取该锁。booleantryLock(longtimeout,TimeUnitunit)//试图释放此锁。voidunlock()
2.ReentrantLock示例
通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用
importjava.util.concurrent.locks.Lock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;//LockTest1.java//仓库classDepot{privateintsize;//仓库的实际数量privateLocklock;//独占锁publicDepot(){this.size=0;this.lock=newReentrantLock();}publicvoidproduce(intval){lock.lock();try{size+=val;System.out.printf("%sproduce(%d)-->size=%d\n",Thread.currentThread().getName(),val,size);}finally{lock.unlock();}}publicvoidconsume(intval){lock.lock();try{size-=val;System.out.printf("%sconsume(%d)<--size=%d\n",Thread.currentThread().getName(),val,size);}finally{lock.unlock();}}};//生产者classProducer{privateDepotdepot;publicProducer(Depotdepot){this.depot=depot;}//消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。publicvoidproduce(finalintval){newThread(){publicvoidrun(){depot.produce(val);}}.start();}}//消费者classCustomer{privateDepotdepot;publicCustomer(Depotdepot){this.depot=depot;}//消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。publicvoidconsume(finalintval){newThread(){publicvoidrun(){depot.consume(val);}}.start();}}publicclassLockTest1{publicstaticvoidmain(String[]args){DepotmDepot=newDepot();ProducermPro=newProducer(mDepot);CustomermCus=newCustomer(mDepot);mPro.produce(60);mPro.produce(120);mCus.consume(90);mCus.consume(150);mPro.produce(110);}}
运行结果：
Thread-0produce(60)-->size=60Thread-1produce(120)-->size=180Thread-3consume(150)<--size=30Thread-2consume(90)<--size=-60Thread-4produce(110)-->size=50
结果分析：
(1)Depot是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。
(2)Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(3)Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(4)在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！
这个模型存在两个问题：
(1)现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！
(2)现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！
这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。
2.2示例2
importjava.util.concurrent.locks.Lock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;//LockTest2.java//仓库classDepot{privateintsize;//仓库的实际数量privateLocklock;//独占锁publicDepot(){this.size=0;this.lock=newReentrantLock();}publicvoidproduce(intval){//lock.lock();//try{size+=val;System.out.printf("%sproduce(%d)-->size=%d\n",Thread.currentThread().getName(),val,size);//}catch(InterruptedExceptione){//}finally{//lock.unlock();//}}publicvoidconsume(intval){//lock.lock();//try{size-=val;System.out.printf("%sconsume(%d)<--size=%d\n",Thread.currentThread().getName(),val,size);//}finally{//lock.unlock();//}}};//生产者classProducer{privateDepotdepot;publicProducer(Depotdepot){this.depot=depot;}//消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。publicvoidproduce(finalintval){newThread(){publicvoidrun(){depot.produce(val);}}.start();}}//消费者classCustomer{privateDepotdepot;publicCustomer(Depotdepot){this.depot=depot;}//消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。publicvoidconsume(finalintval){newThread(){publicvoidrun(){depot.consume(val);}}.start();}}publicclassLockTest2{publicstaticvoidmain(String[]args){DepotmDepot=newDepot();ProducermPro=newProducer(mDepot);CustomermCus=newCustomer(mDepot);mPro.produce(60);mPro.produce(120);mCus.consume(90);mCus.consume(150);mPro.produce(110);}}
(某一次)运行结果：
Thread-0produce(60)-->size=-60Thread-4produce(110)-->size=50Thread-2consume(90)<--size=-60Thread-1produce(120)-->size=-60Thread-3consume(150)<--size=-60
结果说明：
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。
2.3示例3
在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。
importjava.util.www.visa158.comcurrent.locks.Lock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;importjava.util.concurrent.locks.Condition;//LockTest3.java//仓库classDepot{privateintcapacity;//仓库的容量privateintsize;//仓库的实际数量privateLocklock;//独占锁privateConditionfullCondtion;//生产条件privateConditionemptyCondtion;//消费条件publicDepot(intcapacity){this.capacity=capacity;this.size=0;this.lock=newReentrantLock();this.fullCondtion=lock.newCondition();this.emptyCondtion=lock.newCondition();}publicvoidproduce(intval){lock.lock();try{//left表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)intleft=val;while(left>0){//库存已满时，等待“消费者”消费产品。while(size>=capacity)fullCondtion.await();//获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)//如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)//否则“实际增量”=“想要生产的数量”intinc=(size+left)>capacity?(capacity-size):left;size+=inc;left-=inc;System.out.printf("%sproduce(%3d)-->left=%3d,inc=%3d,size=%3d\n",Thread.currentThread().getName(),val,left,inc,size);//通知“消费者”可以消费了。emptyCondtion.signal();}}catch(InterruptedExceptione){}finally{lock.unlock();}}publicvoidconsume(intval){lock.lock();try{//left表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)intleft=val;while(left>0){//库存为0时，等待“生产者”生产产品。while(size<=0)emptyCondtion.await();//获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)//如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；//否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。intdec=(size
(某一次)运行结果：
Thread-0produce(60)-->left=0,inc=60,size=60Thread-1produce(120)-->left=80,inc=40,size=100Thread-2consume(90)<--left=0,dec=90,size=10Thread-3consume(150)<--left=140,dec=10,size=0Thread-4produce(110)-->left=10,inc=100,size=100Thread-3consume(150)<--left=40,dec=100,size=0Thread-4produce(110)-->left=0,inc=10,size=10Thread-3consume(150)<--left=30,dec=10,size=0Thread-1produce(120)-->left=0,inc=80,size=80Thread-3consume(150)<--left=0,dec=30,size=50
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