深入理解Java多线程（四）：锁、锁工具、并发容器

刘启春

2021/05/24

JUC 提供了一套锁对象，分别是：Lock 接口、AbstractQueuedSynchronizaer(队列同步器）、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Condition、LockSupport。

Lock 接口

Lock 接口定义了锁工具常用的方法，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是 Lock 的具体实现。

lock()用于加锁
unlock()释放锁
lockInterruptibly()可中断加锁，线程持有锁后可被终端，中断后抛出一个异常以通知线程
tryLock(), 尝试加锁，并返回获取锁的结果，后续需要根据返回结果自行实现阻塞。
newConditioin()获取 Condition 对象，Condition 对象以在 Lock 锁的同步块内进行阻塞（await）和通知其他线程执行操作（singal），功能同 Ojbect 的 wait/notify 方法。

AbstractQueuedSynchronizaer 同步器

AbstractQueueSynchronizaer（抽象队列同步器）是一个抽象类，内置 FIFO 队列，是 JUC 的并发包实现的核心，它的设计者希望它能能成为大部分并发需求实现的基础。很多同步器都是继承 AbstractQueueSynchronizaer 实现的，重入锁、读写锁中锁都是继承 AQS。

ReentrantLock 中锁

ReentrantLock 的非公平锁

ReentrantLock 的公平锁

使用 AQS

使用同步器时使用以下三个方法改变状态：

getState() 获取当前同步状态
setState() 设置当前同步状态
compareAndSetState() 使用 CAS 设置当前状态，该方法能保证以原子操作设置状态

使用同步器应该重写的方法：

方法	说明
boolean tryAcquire(int arg)	独占方式获取同步状态，CAS 更新状态，arg 为锁状态，例如加锁状态是 1，那么调用参数应该传参 1，下同
boolean tryRealease(int arg)	独占释放同步，释放后等待获取同步的线程将有机会获取锁 🔒
int tryAcquireShared(int arg)	共享获取同步状态，返回值大于 0 表示成功，反之失败
boolean tryReleaseShared(int arg)	共享释放同步状态
boolean isHeldExclusively()	当前同步器是否在独占模式下被线程占用，一般该方法表示是否被当前线程占用

同步器提供的模板方法：

这些方法可以直接使用，并且这些方法和 Lock 接口中的方法很像。

方法	说明
void acquire(int arg)	独占获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则有该方法返回，否则进入同步队列等待，该方法将会调用重写的 tryAcquire(int arg)方法
void acquireInterruptibly(int arg)	与 acquire()相同但该方法会相应中断，当前线程为获取到同步状态就进入同步队列，如果当前线程中断则抛出 InterruptedException并返回
voidtryAcquireNanos(int arg, long nanos)	在 acquireInterruptibly(int arg)方法上增加了超时等待功能，并且有返回值，未超时且获取到同步状态返回 true，超时返回 false
void acquireShared(int arg)	共享式获取同步状态如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占获取的主要区别是同一时刻可以由多个线程获取到状态
void acquireSharedInterruptibly(int arg)	与 acquireShare(int arg)方法相同，不用点是该方法相应中断
boolean acquireSharedNanos(int arg, long nanos)	在 acquireSharedInterruptibly(int arg)基础上增加了超时等待
boolean release(int arg)	独占方式释放同步状态，释放同步状态后，阻塞队列的第一个线程将被唤醒
boolean releaseShared(int arg)	共享式释放锁

词汇解释：

超时等待：在执行操作是等待固定的时间，如果超出了这个等待时间就不等待了，然后继续往下执行，通常超时等待方法都有返回值表面请求的结果（如boolean acquireSharedNanos(int arg, long nanos)，也有没有返回值的：Object.wait(long timeout)、LockSupport.park(long nanos)
“如果获取到锁，从方法中返回”：意思是不在请求方法中阻塞了，该方法执行完毕或 return 返回值了
独占、共享：独占同一时刻被以可线程访问或占用，共享式多个

使用 AQS 实现非重入互斥锁

// 非重入互斥锁
// 锁定义：采用同步非阻塞方式（CAS+volatile），状态0代表可获取锁，状态1代表不可获取锁
public class Mutex implements Lock {

    // 继承并覆盖AQS
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer{

        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // CAS，期望值为0，更新值为1
            if(compareAndSetState(0,1)){
                // CAS更新成功，设置当前线程为独占
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                //返回true表锁当前线程获取到了锁
                return true;
            }
            // false未获取到锁
            return false;
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            // 非0装才允许释放锁，否则抛异常
            if(getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            // 更新状态，0:锁为可获取状态
            setState(0);
            // 锁释放成功
            return true;
        }

        // 状态为1说明有个线程正在持有锁
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState()==1;
        }

        // 返回条件对象，用与在同步块内线程通信（wait/signal）
        Condition newCondition(){
            return new ConditionObject();
        }
    }

    private final Sync sync = new Sync();

    // 所有加锁传入的状态都是1，然后调用Sync的方法
    @Override
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1,unit.toNanos(time));
    }

    @Override
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}

测试

public class TestMutex {
    Mutex mutex = new Mutex();

    void m1(){
        try {
            mutex.lock();
            System.out.println("m1......");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            mutex.unlock();
        }
    }

    void m2(){
        try {
            mutex.lock();
            System.out.println("m2......");
            Thread.sleep(1000);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            mutex.unlock();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        TestMutex o = new TestMutex();

        // 执行m1
        new Thread(o::m1,"t1").start();
        new Thread(o::m1,"t2").start();

        // 执行m2
        new Thread(o::m2,"t3").start();

    }
}

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 是可重入锁，实现了公平锁和非公平锁（默认），除了能提供 synchronized 相同的功能，还提供了尝试加锁，超时加锁，加锁中断等特性。

ReentrantReadWriteLock 是对 ReentrantLock 的再次改进，因为并不所由操作都需要互斥访问的，例如在无写的情况下多线程进行读，这不会使数据变脏，而在写到来时才需要同步，ReentrantReadWriteLock 应用而生，读写锁的特点是读是共享的，写是独占的，且读操作都在一个写操作完成后进行，因此在多读的场景下能提高同步性能。

ReentranLock 的使用

独占加锁，多个线程公用一个 ReentrantLock 对象，对同步代码加锁释放锁。

注意：所有的加锁都要手动释放!

使用模板：

Reentrant lock = new ReentrantLock();
...

lock.lock()
try{
    ...
    同步代码
    ...
}finally{
    lock.unlock();
}

使用“尝试获取锁”，使用尝试获取锁得到返回值后仍要需要我们自行控制同步。

...
try{
    while(!tryLock()){
	//未获取到锁空转阻塞
    }
    同步代码...
}finally{
    lock.unlock();
}

使用 Condition，Condition 可在同步代码中进一步进行同步操作，如释放锁（await）通知其他线程竞争锁（signal、signalAll）。

Lock lock = new ReentrantLock();
Conditiion con = lock.newCondition();
   ...

lock.lock()

try{
    // 阻塞当前线程，让出锁
    con.await();
    // 唤醒一个线程执行
    con.signal();
}finally{
    lock.unlock();
}

ReentranReadWriteLock 的使用

// 互斥锁和读写锁测试
public class TestReadWriteLock {
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static int value;

    static ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();

    public static void read(Lock lock) {
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("read over! value = "+value);
            //模拟读取操作
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void write(Lock lock, int v) {
        try {
            lock.lock();
            Thread.sleep(1000);
            value = v;
            System.out.println("write over!     value = " + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        /*// 使用互斥锁
        Runnable readR = ()-> read(lock);
        Runnable writeR = ()->write(lock, new Random().nextInt());*/

        // 使用读写锁
        Runnable readR = ()-> read(readLock);
        Runnable writeR = ()->write(writeLock, new Random().nextInt());

        for(int i=0; i<2; i++) new Thread(writeR).start();
        for(int i=0; i<20; i++) new Thread(readR).start();
        for(int i=0; i<2; i++) new Thread(writeR).start();
    }
}

// output
read over! value = 0
read over! value = 0
read over! value = 0
read over! value = 0
read over! value = 0
write over!     value = 295078983
write over!     value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
read over! value = 2106533192
write over!     value = -1287679733
read over! value = -1287679733
read over! value = -1287679733
read over! value = -1287679733
read over! value = -1287679733
write over!     value = -791313481

LockSupport 使用

LockSupport 可以用来阻塞当前线程(park)或者唤醒线程(unpark). 使用示例如下。

public class TestLockSupport {
    public static void main(String[] args) {
        // 两个线程打印 aaabbbaaa

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 6; i++) {

                System.out.printf("a");
                if (i == 2) {
                    // 打印三个字母后阻塞
                    LockSupport.park();
                }
            }
        });
        t1.start();

        new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.printf("b");
            }
            // 释放锁
            LockSupport.unpark(t1);
        }).start();
    }
}

并发容器

ConcurrentHashMap

为什么要使用 ConcurrentHashMap？

线程安全。在并发环境下如果使用 HashMap 可能导致程序死循环，HashMap 在进行 put 操作时会时会使 Entry 形成环，Entry 的 next 引用永不为空就会产生死循环获取 Entry。
效率更高。HashTable 对 put、get、remove 方法等方法都加了 synchronizaed 锁，意味着同一时间只能由一个线程访问 HashTable 实例的方法，效率很低，而 ConcurrentHashMap 使用分段锁的方式，不同段可由不同的线程访问，提高了并发度提高了访问效率。

队列容器

并发容器队列分为有界对列和无界队列，有无届指限制添加到队列的元素数量，无界就是插入没有限制。

非阻塞队列和阻塞队列，非阻塞队列对插入和获取进行同步，而阻塞队列除了在插入和获取进行同步外，在没有元素时或插入满时会阻塞当前线程。

阻塞队列不可用时的处理方式，对于不同的插入和移除方法有不同的处理。

处理方式	抛出异常	返回特殊值	一直阻塞	超时退出
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e,time,unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time,unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

Java 中的阻塞队列

ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列，默认非公平，支持公平方式
LinkedBlockingQueue：链式无界阻塞队列
PriorityBlockingQueue：具有优先级的无界阻塞队列, 使用元素的 compareTo 或专用的 Comparator 进行比较，不保证同级元素的公平性
DelayQueue：使用优先级队列实现的无界阻塞队列，可以使用该队列设计缓存系统、或者进行任务调度，存储的元素需要实现 Delayed 接口
SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列
LinkedTransferQueue：链表结构组成的无界阻塞队列，其 transfer 方法可以使正在等待接受元素的 take/poll 方法理解使用其传入的元素
LinkedBlockingDequeue：链表结构双向阻塞队列

非并发容器同步实现

早期的 Vector 和 HashTable 都是使用 sychronized 进行同步，Concurrent 包下的同步多是 CAS+volatile 实现，那么非并发的容器怎么实现同步？一种方式是使用 Collections 里的包装其，另外一种是自己实现。

        // 方式1
        List<String> list = new ArrayList<>();

        List<String> syncList = Collections.synchronizedList(list);

其他类型容器的同步方式相同。

public class Test {
    static List<Integer> list = new LinkedList<>();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(i);
        }

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 方式2: 使用list自身为锁，此时list自身互斥访问性能差
        // 方式3: 使用ReentrantLock或者声明一个Object为lock都可以实现同步访问
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (list){
                    for (int j = 0; j < 10; j++) {
                        Integer remove = list.remove(0);
                        System.out.println(remove);
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

并发容器总结

非并发容器在多线程环境下存在线程安全问题，会导致数据脏读、抛异常或者死锁，多线程下切记使用并发容器。

对于 Map/Set

线程安全的环境下（如单线程），常用 HashMap、TreeMap（带排序功能）、LinkedHashMap；在多线程环境下常用 ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap，少用或不用 HashTable、synchronizedMap，它们都是使用 synchronized 实现同步，两者本质区别不大。

对于队列/列表

单线程下，多读少删少插入用 ArrayList，多删多插入用 LinkedList。

并发环境下，尽快少用 Vector, synchronizedList，synchronized 实现同步效率低。多读少写可以使用 CopyOnWriteList，另外根据使用队列是否需要设置大小选择有界或无界队列，然后选择阻塞类型。

（完）