java并发编程——通过ReentrantLock,Condition实现银行存取款

Java 并发编程系列文章

java.util.concurrent.locks包为锁和等待条件提供一个框架的接口和类，它不同于内置同步和监视器。该框架允许更灵活地使用锁和条件，但以更难用的语法为代价。

Lock 接口支持那些语义不同（重入、公平等）的锁规则，可以在非阻塞式结构的上下文（包括 hand-over-hand 和锁重排算法）中使用这些规则。主要的实现是 ReentrantLock。

ReadWriteLock 接口以类似方式定义了一些读取者可以共享而写入者独占的锁。此包只提供了一个实现，即 ReentrantReadWriteLock，因为它适用于大部分的标准用法上下文。但程序员可以创建自己的、适用于非标准要求的实现。

　　以下是locks包的相关类图：

在之前我们同步一段代码或者对象时都是使用 synchronized关键字，使用的是Java语言的内置特性，然而 synchronized的特性也导致了很多场景下出现问题，比如：

在一段同步资源上，首先线程A获得了该资源的锁，并开始执行，此时其他想要操作此资源的线程就必须等待。如果线程A因为某些原因而处于长时间操作的状态，比如等待网络，反复重试等等。那么其他线程就没有办法及时的处理它们的任务，只能无限制的等待下去。如果线程A的锁在持有一段时间后可自动被释放，那么其他线程不就可以使用该资源了吗？再有就是类似于数据库中的共享锁与排它锁，是否也可以应用到应用程序中？所以引入Lock机制就可以很好的解决这些问题。

　　Lock提供了比 synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

　　1. Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；

　　2. Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用 synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者 synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

　　3. synchronized无法判断是否获取锁的状态，Lock可以判断是否获取到锁；

　　4. 用synchronized关键字的两个线程1和线程2，如果当前线程1获得锁，线程2线程等待。如果线程1阻塞，线程2则会一直等待下去，而Lock锁就不一定会等待下去，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了；

总结： synchronized的锁可重入、不可中断、非公平，而Lock锁可重入、可判断、可公平（两者皆可）

一、可重入锁 ReentrantLock

　　想到锁我们一般想到的是同步锁即 Synchronized,这里介绍的可重入锁ReentrantLock的效率更高。IBM对于可重入锁进行了一个介绍：JDK 5.0 中更灵活、更具可伸缩性的锁定机制

　　这里简单介绍下可重入锁的分类：（假设线程A获取了锁，现在A执行完成了，释放了锁同时唤醒了正在等待被唤醒的线程B。但是，A执行唤醒操作到B真正获取锁的时间里可能存在线程C已经获取了锁，造成正在排队等待的B无法获得锁）

　　1) 公平锁：

　　　　　由于B先在等待被唤醒，为了保证公平性原则，公平锁会先让B获得锁。

　　2) 非公平锁

　　　　　不保证B先获取到锁对象。

　　这两种锁只要在构造ReentrantLock对象时加以区分就可以了，当参数设置为true时为公平锁，false时为非公平锁，同时默认构造函数也是创建了一个非公平锁。

　　　　private Lock lock = new ReentrantLock(true);

ReentrantLock的公平锁在性能和实效性上作了很大的牺牲，可以参考IBM上发的那篇文章中的说明。

二、条件变量 Condition

　　Condition是java.util.concurrent.locks包下的一个接口, Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似，但提供了更强大的功能。需要特别指出的是，单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题，Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。

Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。

　　Condition（也称为条件队列或条件变量）为线程提供了一种手段，在某个状态条件下直到接到另一个线程的通知，一直处于挂起状态（即“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受到保护，因此要将某种形式的锁与 Condition相关联。

Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。

　　Condition是在java .5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，
使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。
因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；

Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()

调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

　　Conditon中的await()对应Object的wait()；
　　Condition中的signal()对应Object的notify()；

　　Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

通过condition进程线程通信的例子如下：

public class ConsumerAndProducer {

    final Lock lock = new ReentrantLock();

    final Condition condition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {

        // TODO Auto-generated method stub

        ConsumerAndProducer test = new ConsumerAndProducer();

        Producer producer = test.new Producer("producer");

        Consumer consumer = test.new Consumer("Consumer");

        consumer.start();

        producer.start();

    }

    class Consumer extends Thread {

        public Consumer(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            consume();

        }

        private void consume() {

            try {

                System.out.println("Consumer: run.");

                lock.lock();

                System.out.println("Consumer: 我在等一个新信号" + this.currentThread().getName());

                Thread.sleep(5000);

                condition.await();

            } catch (InterruptedException e) {

                // TODO Auto-generated catch block

                e.printStackTrace();

            } finally {

                System.out.println("Consumer: 拿到一个信号" + this.currentThread().getName());

                lock.unlock();

            }

        }

    }

    class Producer extends Thread {

        public Producer(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            produce();

        }

        private void produce() {

            try {

                System.out.println("Producer run.");

                lock.lock();

                System.out.println("Producer: 我拿到锁" + this.currentThread().getName());

                condition.signalAll();

                System.out.println("Producer: 我发出了一个信号：" + this.currentThread().getName());

            } finally {

                lock.unlock();

            }

        }

    }

}

输出：

Consumer: run.

Consumer: 我在等一个新信号Consumer

Producer run.

Producer: 我拿到锁producer

Producer: 我发出了一个信号：producer

Consumer: 拿到一个信号Consumer

三、ReentrantLock和Condition设计多线程存取款

1. 存款的时候，不能有线程在取款。取款的时候，不能有线程在存款。

2. 取款时，余额大于取款金额才能进行取款操作，否则提示余额不足。

3. 当取款时，如果金额不足，则阻塞当前线程，并等待2s（可能有其他线程将钱存入）。

如果2s之内没有其它线程完成存款，或者还是金额不足则打印金额不足。

如果其它存入足够金额则通知该阻塞线程，并完成取款操作。

/**

 * 普通银行账户，不可透支

 */

public class MyCount {

    private String oid; // 账号

    private int cash;   // 账户余额

    //账户锁，这里采用公平锁，挂起的取款线程优先获得锁，而不是让其它存取款线程获得锁

    private Lock lock = new ReentrantLock(true);

    private Condition _save = lock.newCondition(); // 存款条件

    private Condition _draw = lock.newCondition(); // 取款条件

    MyCount(String oid, int cash) {

        this.oid = oid;

        this.cash = cash;

    }

    /**

     * 存款

     * @param x 操作金额

     * @param name 操作人

     */

    public void saving(int x, String name) {

        lock.lock(); // 获取锁

        if (x > 0) {

            cash += x; // 存款

            System.out.println(name + "存款" + x + "，当前余额为" + cash);

        }

        _draw.signalAll(); // 唤醒所有等待线程。

        lock.unlock(); // 释放锁

    }

    /**

     * 取款

     * @param x  操作金额

     * @param name 操作人

     */

    public void drawing(int x, String name) {

        lock.lock(); // 获取锁

        try {

            if (cash - x < 0) {

                System.out.println(name + "阻塞中");

                _draw.await(2000,TimeUnit.MILLISECONDS); // 阻塞取款操作, await之后就隐示自动释放了lock，直到被唤醒自动获取

            }

            if(cash-x>=0){

                cash -= x; // 取款

                System.out.println(name + "取款" + x + "，当前余额为" + cash);

            }else{

                System.out.println(name+" 余额不足,当前余额为 "+cash+"   取款金额为 "+x);

            }

            // 唤醒所有存款操作，这里并没有什么实际作用，因为存款代码中没有阻塞的操作

            _save.signalAll();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            lock.unlock(); // 释放锁

        }

    }

}

这里的可重入锁也可以设置成非公平锁，这样阻塞取款线程可能后与其它存取款操作。

 /**

     * 存款线程类

     */

    static class SaveThread extends Thread {

        private String name; // 操作人

        private MyCount myCount; // 账户

        private int x; // 存款金额

        SaveThread(String name, MyCount myCount, int x) {

            this.name = name;

            this.myCount = myCount;

            this.x = x;

        }

        public void run() {

            myCount.saving(x, name);

        }

    }

    /**

     * 取款线程类

     */

    static class DrawThread extends Thread {

        private String name; // 操作人

        private MyCount myCount; // 账户

        private int x; // 存款金额

        DrawThread(String name, MyCount myCount, int x) {

            this.name = name;

            this.myCount = myCount;

            this.x = x;

        }

        public void run() {

            myCount.drawing(x, name);

        }

    }

    public static void main(String[] args) {

        // 创建并发访问的账户

        MyCount myCount = new MyCount("95599200901215522", 1000);

        // 创建一个线程池

        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3);

        Thread t1 = new SaveThread("S1", myCount, 100);

        Thread t2 = new SaveThread("S2", myCount, 1000);

        Thread t3 = new DrawThread("D1", myCount, 12600);

        Thread t4 = new SaveThread("S3", myCount, 600);

        Thread t5 = new DrawThread("D2", myCount, 2300);

        Thread t6 = new DrawThread("D3", myCount, 1800);

        Thread t7 = new SaveThread("S4", myCount, 200);

        // 执行各个线程

        pool.execute(t1);

        pool.execute(t2);

        pool.execute(t3);

        pool.execute(t4);

        pool.execute(t5);

        pool.execute(t6);

        pool.execute(t7);

        try {

            Thread.sleep(3000);

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

        // 关闭线程池

        pool.shutdown();

    }

}

上述类中定义了多个存取款的线程，执行结果如下：

S1存款100，当前余额为1100
S3存款600，当前余额为1700
D2阻塞中
S2存款1000，当前余额为2700
D2取款2300，当前余额为400
D3阻塞中
S4存款200，当前余额为600
D3 余额不足,当前余额为 600 取款金额为 1800
D1阻塞中
D1 余额不足,当前余额为 600 取款金额为 12600

执行步骤如下：

初始化账户，有余额100。
S1，S3完成存款。
D2取款，余额不足，释放锁并阻塞线程，进入等待队列中。
S2完成存款操作后，会唤醒挂起的线程，这时D2完成了取款。
D3取款，余额不足，释放锁并阻塞线程，进入等待队列中。
S4完成存款操作后，唤醒D3，但是依然余额不足，D3 取款失败。
D1 进行取款，等待2s钟，无任何线程将其唤醒，取款失败。

这里需要注意的是，当Condition调用await()方法时，当前线程会释放锁（否则就和Sychnize就没有区别了）

将银行账户中的锁改成非公平锁时，执行的结果如下：

1存款100，当前余额为1100

S3存款600，当前余额为1700

D2阻塞中

S2存款1000，当前余额为2700

D3取款1800，当前余额为900

D2 余额不足,当前余额为 900   取款金额为 2300

S4存款200，当前余额为1100

D1阻塞中

D1 余额不足,当前余额为 1100   取款金额为 12600

D2 取款出现余额不足后释放锁，进入等待状态。但是当S2线程完成存款后并没有立刻执行D2线程，而是被D3插队了。

通过执行结果可以看出公平锁和非公平锁的区别，公平锁能保证等待线程优先执行，但是非公平锁可能会被其它线程插队。

四、ArrayBlockingQueue中关于ReentrantLock和Condition的应用

JDK源码中关于可重入锁的非常典型的应用是 BlockingQueue，从它的源码中的成员变量大概就能知道了（ArrayBlockingQueue为例）：

 /** The queued items */

    final Object[] items;

    /** items index for next take, poll, peek or remove */

    int takeIndex;

    /** items index for next put, offer, or add */

    int putIndex;

    /** Number of elements in the queue */

    int count;

    /*

     * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm

     * found in any textbook.

     */

    /** Main lock guarding all access */

    // 主要解决多线程访问的线程安全性问题

    final ReentrantLock lock;

    /** Condition for waiting takes */

    // 添加元素时，通过notEmpty 唤醒消费线程（在等待该条件）

    private final Condition notEmpty;

    /** Condition for waiting puts */

    // 删除元素时，通过 notFull 唤醒生成线程（在等待该条件）

    private final Condition notFull;

ArrayBlockingQueue 是一个典型的生产者消费者模型，通过一个数组保存元素。为了保证添加和删除元素的线程安全性，增加了可重入锁和条件变量。

可重入锁主要保证多线程对阻塞队列的操作是线程安全的，同时为了让被阻塞的消费者或者生产者能够被自动唤醒，这里引入了条件变量。

当队列已满时，Producer会被阻塞，此时如果Customer消费一个元素时，被阻塞的Producer就会被自动唤醒并往队列中添加元素。

上面的两个例子可见java.util.concurrent.locks包下的ReentrantLock和Condition配合起来的灵活性及实用性。

参考：

可重入锁介绍：https://blog.csdn.net/yanyan19880509/article/details/52345422

https://www.cnblogs.com/nullllun/p/9004309.html

IBM关于Lock介绍：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp10264/index.html

http://286.iteye.com/blog/2296249