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Java多線程：“JUC鎖”02之互斥鎖ReentrantLock

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ReentrantLock介紹

ReentrantLock是一個可重入的互斥鎖，又被稱為“獨占鎖”。

顧名思義，ReentrantLock鎖在同一個時間點只能被一個線程鎖持有；而可重入的意思是， ReentrantLock鎖，可以被單個線程多次獲取。

ReentrantLock分為“公平鎖”和“非公平鎖”。它們的區別體現在獲取鎖的機制上是否公平。“鎖”是為了保護競爭資源，防止多個線程同時操作線程而出錯，ReentrantLock在同一個時間點只能被一個線程獲取(當某線程獲取到 “鎖”時，其它線程就必須等待)；ReentraantLock是通過一個FIFO的等待隊列來管理獲取該鎖所有線程的。在“公平鎖”的機制下，線程依次排隊獲取鎖；而“非公平鎖”在鎖是可獲取狀態時，不管自己是不是在隊列的開頭都會獲取鎖。

ReentrantLock函數列表

// 創建一個 ReentrantLock ，默認是“非公平鎖”。
ReentrantLock()
// 創建策略是fair的 ReentrantLock。fair為true表示是公平鎖，fair為false表示是非公平鎖。
ReentrantLock(boolean fair)
     
// 查詢當前線程保持此鎖的次數。
int getHoldCount()
// 返回目前擁有此鎖的線程，如果此鎖不被任何線程擁有，則返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一個 collection，它包含可能正等待獲取此鎖的線程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回正等待獲取此鎖的線程估計數。
int getQueueLength()
// 返回一個 collection，它包含可能正在等待與此鎖相關給定條件的那些線程。
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)
// 返回等待與此鎖相關的給定條件的線程估計數。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查詢給定線程是否正在等待獲取此鎖。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查詢是否有些線程正在等待獲取此鎖。
boolean hasQueuedThreads()
// 查詢是否有些線程正在等待與此鎖有關的給定條件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果是“公平鎖”返回true，否則返回false。
boolean isFair()
// 查詢當前線程是否保持此鎖。
boolean isHeldByCurrentThread()
// 查詢此鎖是否由任意線程保持。
boolean isLocked()
// 獲取鎖。
void lock()
// 如果當前線程未被中斷，則獲取鎖。
void lockInterruptibly()
// 返回用來與此 Lock 實例一起使用的 Condition 實例。
Condition newCondition()
// 僅在調用時鎖未被另一個線程保持的情況下，才獲取該鎖。
boolean tryLock()
// 如果鎖在給定等待時間內沒有被另一個線程保持，且當前線程未被中斷，則獲取該鎖。
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
// 試圖釋放此鎖。
void unlock()

ReentrantLock示例

通過對比“示例1”和“示例2”,我們能夠清晰的認識lock和unlock的作用

示例1

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
     
// LockTest1.java
// 倉庫
class Depot { 
    private int size;        // 倉庫的實際數量
    private Lock lock;        // 獨占鎖
     
    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }
     
    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
     
    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}; 
     
// 生產者
class Producer {
    private Depot depot;
         
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
// 消費者
class Customer {
    private Depot depot;
         
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
public class LockTest1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);
     
        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

運行結果：

Thread-0 produce(60) --> size=60

Thread-1 produce(120) --> size=180

Thread-3 consume(150) <-- size=30

Thread-2 consume(90) <-- size=-60

Thread-4 produce(110) --> size=50

結果分析：

(01) Depot 是個倉庫。通過produce()能往倉庫中生產貨物，通過consume()能消費倉庫中的貨物。通過獨占鎖lock實現對倉庫的互斥訪問：在操作(生產/消費)倉庫中貨品前，會先通過lock ()鎖住倉庫，操作完之後再通過unlock()解鎖。

(02) Producer是生產者類。調用Producer中的 produce()函數可以新建一個線程往倉庫中生產產品。

(03) Customer是消費者類。調用Customer中的 consume()函數可以新建一個線程消費倉庫中的產品。

(04) 在主線程main中，我們會新建1個生產者 mPro，同時新建1個消費者mCus。它們分別向倉庫中生產/消費產品。

根據main中的生產/消費數量，倉庫最終剩余的產品應該是50。運行結果是符合我們預期的！

這個模型存在兩個問題：

(01) 現實中，倉庫的容量不可能為負數。但是，此模型中的倉庫容量可以為負數，這與現實相矛盾！

(02) 現實中，倉庫的容量是有限制的。但是，此模型中的容量確實沒有限制的！

這兩個問題，我們稍微會講到如何解決。現在，先看個簡單的示例2；通過對比“示例 1”和“示例2”,我們能更清晰的認識lock(),unlock()的用途。

示例2

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
     
// LockTest2.java
// 倉庫
class Depot { 
    private int size;        // 倉庫的實際數量
    private Lock lock;        // 獨占鎖
     
    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }
     
    public void produce(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } catch (InterruptedException e) {
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }
     
    public void consume(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }
}; 
     
// 生產者
class Producer {
    private Depot depot;
         
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
// 消費者
class Customer {
    private Depot depot;
         
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
public class LockTest2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);
     
        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

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(某一次)運行結果：

Thread-0 produce(60) --> size=-60

Thread-4 produce(110) --> size=50

Thread-2 consume(90) <-- size=-60

Thread-1 produce(120) --> size=-60

Thread-3 consume(150) <-- size=-60

結果說明：

“示例2”在“示例1”的基礎上去掉了lock鎖。在“示例 2”中，倉庫中最終剩余的產品是-60，而不是我們期望的50。原因是我們沒有實現對倉庫的互斥訪問。

示例3

在“示例3”中，我們通過Condition去解決“示例1”中的兩個問題：“ 倉庫的容量不可能為負數”以及“倉庫的容量是有限制的”。

解決該問題是通過 Condition。Condition是需要和Lock聯合使用的：通過Condition中的await()方法，能讓線程阻塞[類似於wait()]；通過Condition的signal()方法，能讓喚醒線程[類似於notify()]。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
     
// LockTest3.java
// 倉庫
class Depot {
    private int capacity;    // 倉庫的容量
    private int size;        // 倉庫的實際數量
    private Lock lock;        // 獨占鎖
    private Condition fullCondtion;            // 生產條件
    private Condition emptyCondtion;        // 消費條件
     
    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.fullCondtion = lock.newCondition();
        this.emptyCondtion = lock.newCondition();
    }
     
    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
             // left 表示“想要生產的數量”(有可能生產量太多，需多此生產)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存已滿時，等待“消費者”消費產品。
                while (size >= capacity)
                    fullCondtion.await();
                // 獲取“實際生產的數量”(即庫存中新增的數量)
                // 如果“庫存”+“想要生產的數量”>“總的容量

”，則“實際增量”=“總的容量”-“當前容量”。(此時填滿倉

庫)
                // 否則“實際增量”=“想要生產的數量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%

3d\n", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消費者”可以消費了。
                emptyCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
     
    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“客戶要消費數量”(有可能消費量太大，庫存不夠，需多此消費)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存為0時，等待“生產者”生產產品。
                while (size <= 0)
                    emptyCondtion.await();
                // 獲取“實際消費的數量”(即庫存中實際減少的數量)
                // 如果“庫存”<“客戶要消費的數量”，則“實際消

費量”=“庫存”；
                // 否則，“實際消費量”=“客戶要消費的數量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%

3d\n", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                fullCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
     
    public String toString() {
        return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
    }
}; 
     
// 生產者
class Producer {
    private Depot depot;
         
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程向倉庫中生產產品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
// 消費者
class Customer {
    private Depot depot;
         
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }
     
    // 消費產品：新建一個線程從倉庫中消費產品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}
     
public class LockTest3 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);
     
        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)運行結果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50

代碼中的已經包含了很詳細的注釋，這裡就不再說明了。

更多“生產者/消費者模型” 的更多內容，可以參考“Java多線程系列--“基礎篇”11之生產消費者問題”。

而關於Condition的內容，在後面我們會詳細介紹。