并发王者课-铂金1:探本溯源-为何说Lock接口是Java中锁的基础

秦二爷

欢迎来到《并发王者课》,本文是该系列文章中的第14篇

黄金系列中,我们介绍了并发中一些问题,比如死锁、活锁、线程饥饿等问题。在并发编程中,这些问题无疑都是需要解决的。所以,在铂金系列文章中,我们会从并发中的问题出发,探索Java所提供的锁的能力以及它们是如何解决这些问题的。

作为铂金系列文章的第一篇,我们将从Lock接口开始介绍,因为它是Java中锁的基础,也是并发能力的基础。

一、理解Java中锁的基础:Lock接口

在青铜系列文章中,我们介绍了通过synchronized关键字实现对方法和代码块加锁的用法。然而,虽然synchronized非常好用、易用,但是它的灵活度却十分有限,不能灵活地控制加锁和释放锁的时机。所以,为了更灵活地使用锁,并满足更多的场景需要,就需要我们能够自主地定义锁。于是,就有了Lock接口

理解Lock最直观的方式,莫过于直接在JDK所提供的并发工具类中找到它,如下图所示:

可以看到,Lock接口提供了一些能力API,并有一些具体的实现,如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等。

1. Lock的五个核心能力API

  • void lock():获取锁。如果当前锁不可用,则会被阻塞直至锁释放
  • void lockInterruptibly():获取锁并允许被中断。这个方法和lock()类似,不同的是,它允许被中断并抛出中断异常
  • boolean tryLock():尝试获取锁。会立即返回结果,而不会被阻塞
  • boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit):尝试获取锁并等待一段时间。这个方法和tryLock(),但是它会根据参数等待–会,如果在规定的时间内未能获取到锁就会放弃
  • void unlock():释放锁。

2. Lock的常见实现

在Java并发工具类中,Lock接口有一些实现,比如:

  • ReentrantLock:可重入锁;
  • ReentrantReadWriteLock:可重入读写锁;

除了列举的两个实现外,还有一些其他实现类。对于这些实现,暂且不必详细了解,后面会详细介绍。在目前阶段,你需要理解的是Lock是它们的基础

二、自定义Lock

接下来,我们基于前面的示例代码,看看如何将synchronized版本的锁用Lock来实现。

 public static class WildMonster {
   private boolean isWildMonsterBeenKilled;
   
   public synchronized void killWildMonster() {
     String playerName = Thread.currentThread().getName();
     if (isWildMonsterBeenKilled) {
       System.out.println(playerName + "未斩杀野怪失败...");
       return;
     }
     isWildMonsterBeenKilled = true;
     System.out.println(playerName + "斩获野怪!");
   }
 }

1. 实现一把简单的锁

创建类WildMonsterLock并实现Lock接口,WildMonsterLock将是取代synchronized的关键:

// 自定义锁
public class WildMonsterLock implements Lock {
    private boolean isLocked = false;

    // 实现lock方法
    public void lock() {
        synchronized (this) {
            while (isLocked) {
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            isLocked = true;
        }
    }
    
    // 实现unlock方法
    public void unlock() {
        synchronized (this) {
            isLocked = false;
            this.notify();
        }
    }
}

在实现Lock接口时,你需要实现它上述的所有方法。不过,为了简化代码方便展示,我们移除了WildMonsterLock类中的tryLock等方法。

对于waitnotify方法的时候,如果你不熟悉的话,可以查看青铜系列的文章。这里需要提醒的是,notify在使用时务必要和wait是同一个监视器

基于刚才定义的WildMonsterLock,创建WildMonster类,并在方法killWildMonster中使用WildMonsterLock对象,从而取代synchronized.

// 使用刚才自定义的锁
 public static class WildMonster {
   private boolean isWildMonsterBeenKilled;
    // 创建锁对象
   private Lock lock = new WildMonsterLock(); 

   public void killWildMonster() {
     // 获取锁
     lock.lock(); 
     try {
       String playerName = Thread.currentThread().getName();
       if (isWildMonsterBeenKilled) {
         System.out.println(playerName + "未斩杀野怪失败...");
         return;
       }
       isWildMonsterBeenKilled = true;
       System.out.println(playerName + "斩获野怪!");
     } finally {
       // 执行结束后,无论如何不要忘记释放锁
       lock.unlock();
     }
   }
}

输出结果如下:

哪吒斩获野怪!
典韦未斩杀野怪失败...
兰陵王未斩杀野怪失败...
铠未斩杀野怪失败...

Process finished with exit code 0

从结果中可以看到:只有哪吒一人斩获了野怪,其他几个英雄均以失败告终,结果符合预期。这说明,WildMonsterLock达到了和synchronized一致的效果。

不过,这里有细节需要注意。在使用synchronized时我们无需关心锁的释放,JVM会帮助我们自动完成。然而,在使用自定义的锁时,一定要使用try...finally来确保锁最终一定会被释放,否则将造成后续线程被阻塞的严重后果。

2. 实现可重入的锁

synchronized中,锁是可以重入的所谓锁的可重入,指的是锁可以被线程重复或递归调用。比如,加锁对象中存在多个加锁方法时,当线程在获取到锁进入其中任一方法后,线程应该可以同时进入其他的加锁方法,而不会出现被阻塞的情况。当然,前提条件是这个加锁的方法用的是同一个对象的锁(监视器)。

在下面这段代码中,方法A和B都是同步方法,并且A中调用B. 那么,线程在调用A时已经获得了当前对象的锁,那么线程在A中调用B时可以直接调用,这就是锁的可重入性。


public class WildMonster {
    public synchronized void A() {
        B();
    }
    
    public synchronized void B() {
       doSomething...
    }
}

所以,为了让我们自定义的WildMonsterLock也支持可重入,我们需要对代码进行一点改动。

public class WildMonsterLock implements Lock {
    private boolean isLocked = false;
   
    // 重点:增加字段保存当前获得锁的线程
    private Thread lockedBy = null;
    // 重点:增加字段记录上锁次数
    private int lockedCount = 0;

    public void lock() {
        synchronized (this) {
            Thread callingThread = Thread.currentThread();
            // 重点:判断是否为当前线程
            while (isLocked && lockedBy != callingThread) {
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            isLocked = true;
            lockedBy = callingThread;
            lockedCount++;
        }
    }

    public void unlock() {
        synchronized (this) {
            // 重点:判断是否为当前线程
            if (Thread.currentThread() == this.lockedBy) {
                lockedCount--;
                if (lockedCount == 0) {
                    isLocked = false;
                    this.notify();
                }
            }
        }
    }
}

在新的WildMonsterLock中,我们增加了this.lockedBylockedCount字段,并在加锁和解锁时增加对线程的判断。在加锁时,如果当前线程已经获得锁,那么将不必进入等待。而在解锁时,只有当前线程能解锁

lockedCount字段则是为了保证解锁的次数和加锁的次数是匹配的,比如加锁了3次,那么相应的也要3次解锁。

3. 关注锁的公平性

在黄金系列文章中,我们提到了线程在竞争中可能被饿死,因为竞争并不是公平的。所以,我们在自定义锁的时候,也应当考虑锁的公平性

三、小结

以上就是关于Lock的全部内容。在本文中,我们介绍了Lock是Java中各类锁的基础。它是一个接口,提供了一些能力API,并有着完整的实现。并且,我们也可以根据需要自定义实现锁的逻辑。所以,在学习Java中各种锁的时候,最好先从Lock接口开始。同时,在替代synchronized的过程中,我们也能感受到Lock有一些synchronized所不具备的优势:

  • synchronized用于方法体或代码块,而Lock可以灵活使用,甚至可以跨越方法
  • synchronized没有公平性,任何线程都可以获取并长期持有,从而可能饿死其他线程。而基于Lock接口,我们可以实现公平锁,从而避免一些线程活跃性问题
  • synchronized被阻塞时只有等待,而Lock则提供了tryLock方法,可以快速试错,并可以设定时间限制,使用时更加灵活
  • synchronized不可以被中断,而Lock提供了lockInterruptibly方法,可以实现中断

另外,在自定义锁的时候,要考虑锁的公平性。而在使用锁的时候,则需要考虑锁的安全释放。

夫子的试炼

  • 基于Lock接口,自定义实现一把锁。

延伸阅读与参考资料

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