Java多線程中ReentrantLock與Condition有什么用

這篇文章給大家分享的是有關Java多線程中ReentrantLock與Condition有什么用的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一、ReentrantLock類

1.1什么是reentrantlock

java.util.concurrent.lock中的Lock框架是鎖定的一個抽象，它允許把鎖定的實現作為Java類，而不是作為語言的特性來實現。這就為Lock的多種實現留下了空間，各種實現可能有不同的調度算法、性能特性或者鎖定語義。ReentrantLock類實現了Lock，它擁有與synchronized相同的并發性和內存語義，但是添加了類似鎖投票、定時鎖等候和可中斷鎖等候的一些特性。此外，它還提供了在激烈爭用情況下更佳的性能。（換句話說，當許多線程都想訪問共享資源時，JVM可以花更少的時候來調度線程，把更多時間用在執行線程上。）

reentrant鎖意味著什么呢？簡單來說，它有一個與鎖相關的獲取計數器，如果擁有鎖的某個線程再次得到鎖，那么獲取計數器就加1，然后鎖需要被釋放兩次才能獲得真正釋放。這模仿了synchronized的語義；如果線程進入由線程已經擁有的監控器保護的synchronized塊，就允許線程繼續進行，當線程退出第二個（或者后續）synchronized塊的時候，不釋放鎖，只有線程退出它進入的監控器保護的第一個synchronized塊時，才釋放鎖。

1.2ReentrantLock與synchronized的比較

相同：ReentrantLock提供了synchronized類似的功能和內存語義。

不同：

（1）ReentrantLock功能性方面更全面，比如時間鎖等候，可中斷鎖等候，鎖投票等，因此更有擴展性。在多個條件變量和高度競爭鎖的地方，用ReentrantLock更合適，ReentrantLock還提供了Condition，對線程的等待和喚醒等操作更加靈活，一個ReentrantLock可以有多個Condition實例，所以更有擴展性。

（2）ReentrantLock的性能比synchronized會好點。

（3）ReentrantLock提供了可輪詢的鎖請求，他可以嘗試的去取得鎖，如果取得成功則繼續處理，取得不成功，可以等下次運行的時候處理，所以不容易產生死鎖，而synchronized則一旦進入鎖請求要么成功，要么一直阻塞，所以更容易產生死鎖。

1.3ReentrantLock擴展的功能

1.3.1實現可輪詢的鎖請求

在內部鎖中，死鎖是致命的——唯一的恢復方法是重新啟動程序，唯一的預防方法是在構建程序時不要出錯。而可輪詢的鎖獲取模式具有更完善的錯誤恢復機制，可以規避死鎖的發生。

如果你不能獲得所有需要的鎖，那么使用可輪詢的獲取方式使你能夠重新拿到控制權，它會釋放你已經獲得的這些鎖，然后再重新嘗試。可輪詢的鎖獲取模式，由tryLock()方法實現。此方法僅在調用時鎖為空閑狀態才獲取該鎖。如果鎖可用，則獲取鎖，并立即返回值true。如果鎖不可用，則此方法將立即返回值false。此方法的典型使用語句如下：

Lock lock = ...; 
if (lock.tryLock()) { 
try { 
// manipulate protected state 
} finally { 
lock.unlock(); 
} 
} else { 
// perform alternative actions 
}

1.3.2實現可定時的鎖請求

當使用內部鎖時，一旦開始請求，鎖就不能停止了，所以內部鎖給實現具有時限的活動帶來了風險。為了解決這一問題，可以使用定時鎖。當具有時限的活

動調用了阻塞方法，定時鎖能夠在時間預算內設定相應的超時。如果活動在期待的時間內沒能獲得結果，定時鎖能使程序提前返回。可定時的鎖獲取模式，由tryLock(long,TimeUnit)方法實現。

1.3.3實現可中斷的鎖獲取請求

可中斷的鎖獲取操作允許在可取消的活動中使用。lockInterruptibly()方法能夠使你獲得鎖的時候響應中斷。

1.4ReentrantLock不好與需要注意的地方

（1）lock必須在finally塊中釋放。否則，如果受保護的代碼將拋出異常，鎖就有可能永遠得不到釋放！這一點區別看起來可能沒什么，但是實際上，它極為重要。忘記在finally塊中釋放鎖，可能會在程序中留下一個定時炸彈，當有一天炸彈爆炸時，您要花費很大力氣才有找到源頭在哪。而使用同步，JVM將確保鎖會獲得自動釋放

（2）當JVM用synchronized管理鎖定請求和釋放時，JVM在生成線程轉儲時能夠包括鎖定信息。這些對調試非常有價值，因為它們能標識死鎖或者其他異常行為的來源。Lock類只是普通的類，JVM不知道具體哪個線程擁有Lock對象。

二、條件變量Condition

條件變量很大一個程度上是為了解決Object.wait/notify/notifyAll難以使用的問題。

我們通過一個實際的例子來解釋Condition的用法：

我們要打印1到9這9個數字，由A線程先打印1，2，3，然后由B線程打印4,5,6，然后再由A線程打印7，8，9. 這道題有很多種解法，現在我們使用Condition來做這道題

package cn.outofmemory.locks;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class App {
	static class NumberWrapper {
		public int value = 1;
	}
	public static void main(String[] args) {
		//初始化可重入鎖
		final Lock lock = new ReentrantLock();
		//第一個條件當屏幕上輸出到3
		final Condition reachThreeCondition = lock.newCondition();
		//第二個條件當屏幕上輸出到6
		final Condition reachSixCondition = lock.newCondition();
		//NumberWrapper只是為了封裝一個數字，一邊可以將數字對象共享，并可以設置為final
		//注意這里不要用Integer, Integer 是不可變對象
		final NumberWrapper num = new NumberWrapper();
		//初始化A線程
		Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
			@Override
						public void run() {
				//需要先獲得鎖
				lock.lock();
				try {
					System.out.println("threadA start write");
					//A線程先輸出前3個數
					while (num.value <= 3) {
						System.out.println(num.value);
						num.value++;
					}
					//輸出到3時要signal，告訴B線程可以開始了
					reachThreeCondition.signal();
				}
				finally {
					lock.unlock();
				}
				lock.lock();
				try {
					//等待輸出6的條件
					reachSixCondition.await();
					System.out.println("threadA start write");
					//輸出剩余數字
					while (num.value <= 9) {
						System.out.println(num.value);
						num.value++;
					}
				}
				catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				finally {
					lock.unlock();
				}
			}
		}
		);
		Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
			@Override
						public void run() {
				try {
					lock.lock();
					while (num.value <= 3) {
						//等待3輸出完畢的信號
						reachThreeCondition.await();
					}
				}
				catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				finally {
					lock.unlock();
				}
				try {
					lock.lock();
					//已經收到信號，開始輸出4，5，6
					System.out.println("threadB start write");
					while (num.value <= 6) {
						System.out.println(num.value);
						num.value++;
					}
					//4，5，6輸出完畢，告訴A線程6輸出完了
					reachSixCondition.signal();
				}
				finally {
					lock.unlock();
				}
			}
		}
		);
		//啟動兩個線程
		threadB.start();
		threadA.start();
	}
}

上述代碼中有完整的注釋，請參考注釋，理解Condition的用法。

基本思路就是首先要A線程先寫1，2，3，這時候B線程應該等待reachThredCondition信號，而當A線程寫完3之后就通過signal告訴B線程“我寫到3了，該你了”，這時候A線程要等嗲reachSixCondition信號，同時B線程得到通知，開始寫4，5，6，寫完4，5，6之后B線程通知A線程reachSixCondition條件成立了，這時候A線程就開始寫剩下的7，8，9了。條件（也稱為條件隊列或條件變量）為線程提供了一個含義，以便在某個狀態條件現在可能為true的另一個線程通知它之前，一直掛起該線程（即讓其“等待”）。因為訪問此共享狀態信息發生在不同的線程中，所以它必須受保護，因此要將某種形式的鎖與該條件相關聯。等待提供一個條件的主要屬性是：以原子方式釋放相關的鎖，并掛起當前線程，就像Object.wait做的那樣。

上述API說明表明條件變量需要與鎖綁定，而且多個Condition需要綁定到同一鎖上。前面的Lock中提到，獲取一個條件變量的方法是Lock.newCondition()。

voidawait()throwsInterruptedException; 
voidawaitUninterruptibly(); 
longawaitNanos(longnanosTimeout)throwsInterruptedException; 
booleanawait(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException; 
booleanawaitUntil(Datedeadline)throwsInterruptedException; 
voidsignal(); 
voidsignalAll();

以上是Condition接口定義的方法，await*對應于Object.wait，signal對應于Object.notify，signalAll對應于Object.notifyAll。特別說明的是Condition的接口改變名稱就是為了避免與Object中的wait/notify/notifyAll的語義和使用上混淆，因為Condition同樣有wait/notify/notifyAll方法。

每一個Lock可以有任意數據的Condition對象，Condition是與Lock綁定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平鎖，線程為按照FIFO的順序從Condition.await中釋放，如果是非公平鎖，那么后續的鎖競爭就不保證FIFO順序了。

一個使用Condition實現生產者消費者的模型例子如下。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProductQueue<T> {
	private final T[] items;
	private final Lock lock = new ReentrantLock();
	private Condition notFull = lock.newCondition();
	private Condition notEmpty = lock.newCondition();
	// 
	private int head, tail, count;
	public ProductQueue(int maxSize) {
		items = (T[]) new Object[maxSize];
	}
	public ProductQueue() {
		this(10);
	}
	public void put(T t) throws InterruptedException {
		lock.lock();
		try {
			while (count == getCapacity()) {
				notFull.await();
			}
			items[tail] = t;
			if (++tail == getCapacity()) {
				tail = 0;
			}
			++count;
			notEmpty.signalAll();
		}
		finally {
			lock.unlock();
		}
	}
	public T take() throws InterruptedException {
		lock.lock();
		try {
			while (count == 0) {
				notEmpty.await();
			}
			T ret = items[head];
			items[head] = null;
			//GC 
			// 
			if (++head == getCapacity()) {
				head = 0;
			}
			--count;
			notFull.signalAll();
			return ret;
		}
		finally {
			lock.unlock();
		}
	}
	public int getCapacity() {
		return items.length;
	}
	public int size() {
		lock.lock();
		try {
			return count;
		}
		finally {
			lock.unlock();
		}
	}
}

在這個例子中消費take()需要隊列不為空，如果為空就掛起（await()），直到收到notEmpty的信號；生產put()需要隊列不滿，如果滿了就掛起（await()），直到收到notFull的信號。

可能有人會問題，如果一個線程lock()對象后被掛起還沒有unlock，那么另外一個線程就拿不到鎖了（lock()操作會掛起），那么就無法通知(notify)前一個線程，這樣豈不是“死鎖”了？

2.1await*操作

上一節中說過多次ReentrantLock是獨占鎖，一個線程拿到鎖后如果不釋放，那么另外一個線程肯定是拿不到鎖，所以在lock.lock()和lock.unlock()之間可能有一次釋放鎖的操作（同樣也必然還有一次獲取鎖的操作）。我們再回頭看代碼，不管take()還是put()，在進入lock.lock()后唯一可能釋放鎖的操作就是await()了。也就是說await()操作實際上就是釋放鎖，然后掛起線程，一旦條件滿足就被喚醒，再次獲取鎖！

public final void await() throws InterruptedException { 
 if (Thread.interrupted()) 
  throw new InterruptedException(); 
 Node node = addConditionWaiter(); 
 int savedState = fullyRelease(node); 
 int interruptMode = 0; 
 while (!isOnSyncQueue(node)) { 
  LockSupport.park(this); 
  if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) 
   break; 
 } 
 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) 
  interruptMode = REINTERRUPT; 
 if (node.nextWaiter != null) 
  unlinkCancelledWaiters(); 
 if (interruptMode != 0) 
  reportInterruptAfterWait(interruptMode); 
}

上面是await()的代碼片段。上一節中說過,AQS在獲取鎖的時候需要有一個CHL的FIFO隊列，所以對于一個Condition.await()而言，如果釋放了鎖，要想再一次獲取鎖那么就需要進入隊列，等待被通知獲取鎖。完整的await()操作是安裝如下步驟進行的：

將當前線程加入Condition鎖隊列。特別說明的是，這里不同于AQS的隊列，這里進入的是Condition的FIFO隊列。后面會具體談到此結構。進行2。

釋放鎖。這里可以看到將鎖釋放了，否則別的線程就無法拿到鎖而發生死鎖。進行3。

自旋(while)掛起，直到被喚醒或者超時或者CACELLED等。進行4。

獲取鎖(acquireQueued)。并將自己從Condition的FIFO隊列中釋放，表明自己不再需要鎖（我已經拿到鎖了）。

這里再回頭介紹Condition的數據結構。我們知道一個Condition可以在多個地方被await*()，那么就需要一個FIFO的結構將這些Condition串聯起來，然后根據需要喚醒一個或者多個（通常是所有）。所以在Condition內部就需要一個FIFO的隊列。

private transient Node firstWaiter; 
private transient Node lastWaiter;

上面的兩個節點就是描述一個FIFO的隊列。我們再結合前面提到的節點（Node）數據結構。我們就發現Node.nextWaiter就派上用場了！nextWaiter就是將一系列的Condition.await*串聯起來組成一個FIFO的隊列。

2.2signal/signalAll操作

await*()清楚了，現在再來看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要將Condition.await*()中FIFO隊列中第一個Node喚醒（或者全部Node）喚醒。盡管所有Node可能都被喚醒，但是要知道的是仍然只有一個線程能夠拿到鎖，其它沒有拿到鎖的線程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

private void doSignal(Node first) { 
  do { 
    if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) 
      lastWaiter = null; 
    first.nextWaiter = null; 
  } while (!transferForSignal(first) && 
       (first = firstWaiter) != null); 
} 
 
private void doSignalAll(Node first) { 
  lastWaiter = firstWaiter = null; 
  do { 
    Node next = first.nextWaiter; 
    first.nextWaiter = null; 
    transferForSignal(first); 
    first = next; 
  } while (first != null); 
}

上面的代碼很容易看出來，signal就是喚醒Condition隊列中的第一個非CANCELLED節點線程，而signalAll就是喚醒所有非CANCELLED節點線程。當然了遇到CANCELLED線程就需要將其從FIFO隊列中剔除。

final boolean transferForSignal(Node node) { 
  if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) 
    return false; 
 
  Node p = enq(node); 
  int c = p.waitStatus; 
  if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL)) 
    LockSupport.unpark(node.thread); 
  return true; 
}

上面就是喚醒一個await*()線程的過程，根據前面的小節介紹的，如果要unpark線程，并使線程拿到鎖，那么就需要線程節點進入AQS的隊列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前調用了enq(node)操作，將當前節點加入到AQS隊列。

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