詳解Java多線程編程中互斥鎖ReentrantLock類的用法

0.關於互斥鎖

所謂互斥鎖, 指的是一次最多只能有一個線程持有的鎖. 在jdk1.5之前, 我們通常使用synchronized機制控制多個線程對共享資源的訪問. 而現在, Lock提供了比synchronized機制更廣泛的鎖定操作, Lock和synchronized機制的主要區別:
synchronized機制提供了對與每個對象相關的隱式監視器鎖的訪問, 並強制所有鎖獲取和釋放均要出現在一個塊結構中, 當獲取了多個鎖時, 它們必須以相反的順序釋放. synchronized機制對鎖的釋放是隱式的, 只要線程運行的代碼超出了synchronized語句塊範圍, 鎖就會被釋放. 而Lock機制必須顯式的調用Lock對象的unlock()方法才能釋放鎖, 這為獲取鎖和釋放鎖不出現在同一個塊結構中, 以及以更自由的順序釋放鎖提供了可能。

1. 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()

2. 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
2.1 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=60Thread-1 produce(120) --> size=180Thread-3 consume(150) <-- size=30Thread-2 consume(90) <-- size=-60Thread-4 produce(110) --> size=50

結果分析：
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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，倉庫最終剩餘的產品應該是50。運行結果是符合我們預期的！
這個模型存在兩個問題：
(1) 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！
(2) 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。

2.2 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); }}

(某一次)運行結果：

 Thread-0 produce(60) --> size=-60Thread-4 produce(110) --> size=50Thread-2 consume(90) <-- size=-60Thread-1 produce(120) --> size=-60Thread-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，倉庫中最終剩餘的產品是-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。

2.3 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= 60Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100Thread-2 consume( 90) <-- left= 0, dec= 90, size= 10Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size= 0Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size= 0Thread-4 produce(110) --> left= 0, inc= 10, size= 10Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size= 0Thread-1 produce(120) --> left= 0, inc= 80, size= 80Thread-3 consume(150) <-- left= 0, dec= 30, size= 50