[Java并发-8]Lock和Condition（上） 隐藏在并发包中的管程

Java SDK 并发包内容很丰富。但是最核心的还是其对管程的实现。因为理论上利用管程，你几乎可以实现并发包里所有的工具类。在前面我们提到过在并发编程领域，有两大核心问题：一个是
互斥：即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是
同步：即线程之间如何通信、协作。

这两大问题，管程都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

今天我们重点介绍 Lock 的使用，在介绍 Lock 的使用之前，有个问题需要你首先思考一下：Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现，既然 Java 从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢？很显然它们之间是有巨大区别的。那区别在哪里呢？

再造管程的理由

让我们回顾下在之前的死锁问题中。提出一个破坏不可抢占条件的方案。
但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。
但我们希望的是：

对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？我觉得有三种方案。

1. 能够响应中断

synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。

2. 能够支持超时

如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

3. 非阻塞地获取锁

如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的 API
void lockInterruptibly() 
  throws InterruptedException;
// 支持超时的 API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 
  throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的 API
boolean tryLock();

如何保证可见性

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是try{}finally{}。需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。这个范例无需多解释。但是有一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。你已经知道 Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有一条 synchronized 相关的规则：synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？例如在下面的代码中，线程 T1 对 value 进行了 +=1 操作，那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗？

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value+=1;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

我们来比较理论的讨论下这段代码的可见性是怎么保证的。

这里说下虽然 Java SDK 里面锁的实现非常复杂，这里我就不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则。
Java SDK 里面的 ReentrantLock，内部持有一个 volatile 的成员变量 state，获取锁的时候，会读写 state 的值；解锁的时候，也会读写 state 的值（简化后的代码如下面所示）。也就是说，在执行 value+=1 之前，程序先读写了一次 volatile 变量 state，在执行 value+=1 之后，又读写了一次 volatile 变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则：

1. 顺序规则：对于线程 T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock()；
2. volatile 变量规则：由于 state = 1 会先读取 state，所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作；
3. 传递性规则：线程 T1 的 value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

class SampleLock {
  volatile int state;
  // 加锁
  lock() {
    // 省略代码无数
    state = 1;
  }
  // 解锁
  unlock() {
    // 省略代码无数
    state = 0;
  }
}

什么是可重入锁

如果你细心观察，会发现我们创建的锁的具体类名是ReentrantLock，这个翻译过来叫可重入锁
，这个概念前面我们一直没有介绍过。所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。
例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1 可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public int get() {
    // 获取锁
    rtl.lock();         ②
    try {
      return value;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value = 1 + get(); ①
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

公平锁与非公平锁

在使用ReentrantLock 的时候，你会发现ReentrantLock 这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

// 无参构造函数：默认非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
// 根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair){
    sync = fair ? new FairSync() 
                : new NonfairSync();
}

在之前我们介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

用锁的最佳实践

你已经知道，用锁虽然能解决很多并发问题，但是风险也是挺高的。虽然有很多最佳实践，但是我觉得最值得推荐的是并发大师 Doug Lea《Java 并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践，它们分别是：

1. 永远只在更新对象的成员变量时加锁
2. 永远只在访问可变的成员变量时加锁
3. 永远不在调用其他对象的方法时加锁

最后一条你可能会觉得过于严苛。但是我还是倾向于你去遵守，因为调用其他对象的方法，实在是太不安全了，也许“其他”方法里面有线程 sleep() 的调用，也可能会有奇慢无比的 I/O 操作，这些都会严重影响性能。更可怕的是，“其他”类的方法可能也会加锁，然后双重加锁就可能导致死锁。

小结

Java SDK 并发包里的 Lock 接口里面的每个方法，你可以感受到，都是经过深思熟虑的。除了支持类似 synchronized 隐式加锁的 lock() 方法外，还支持超时、非阻塞、可中断的方式获取锁，这三种方式为我们编写更加安全、健壮的并发程序提供了很大的便利。

还有一些其他实践诸如：减少锁的持有时间、减小锁的粒度等业界广为人知的规则，其实本质上它们都是相通的，不过是在该加锁的地方加锁而已。你可以自己体会，自己总结，最终总结出自己的一套最佳实践来。