第五章 Java中锁

Lock接口

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁能够防止多个线程同时访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）。在Lock接口出现之前，Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的，而在Java SE 5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显示地获取和释放锁。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

Lock使用很简单，如下是Lock的使用方式

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{
}finally{
lock.unlock;
}

在finally块释放锁，目的是保证在获取到锁之后，最后能够被释放。不要将获取锁的过程写在try块中，因为如果在获取锁（自定义锁的实现）时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故释放。

Lock接口提供的synchronized关键字所不具备的主要特性如下表

特性	描述
尝试非阻塞地获取锁	当前线程尝试获取锁，如果这一课时没有锁没有被其他线程获取到，则成功获取并持有锁
能被中断地获取锁	与synchronized不同，获取到锁的线程能够响应中断，当获取到锁的线程被中断时，中断异常将会被抛出，同时锁会被释放
超时获取锁	在指定的截止时间之前获取锁，如果截止时间到了仍旧无法获取锁，则返回

Lock是一个接口，它定义了锁获取和释放的基本操作，Lock的API如下表

方法名称	描述
void lock()	获取锁，调用该方法当前线程将会获取锁，当锁获得后，从该方法返回
void lockInterruptibly() throws InterruptedException	可中断地获取锁，和lock()方法的不同之处在于该方法会响应中断，即在锁的获取中可以中断当前线程
boolean tryLock()	尝试非阻塞的获取锁，调用该方法后立刻返回，如果能够获取则返回true,否则返回false
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException	超时的获取锁，当前线程哎以下三种情况会返回： 1当前线程在超时时间内获得了锁 2当前线程在超时时间内被中断 3超时时间结束，返回false
void unlock()	释放锁
Condition newCondition()	获取等待通知组件，该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获得了锁，才能调用该组件的wait()方法，而调用后，当前线程将释放锁

队列同步器

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer(以下简称同步器)，是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作，并发包的作者（Doug Lea）期望它能够成为实现大部分同步需求的基础。

同步器的主要使用方式是继承，子类通过继承同步器并实现它的抽象方法来管理同步状态，在抽样方法的实现过程中免不了要对同步状态进行更改，这时就需要使用同步器提供的3个方法（getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update)）来进行操作，因为它们能够保证状态的改变是安全的。

子类推荐被定义为自定义同步组件的静态内部类，同步器自身没有实现任何同步接口，它仅仅是定义了若干同步状态获取和释放的方法来供自定义同步组件使用，同步器可以支持独占式地获取同步状态，也可以支持共享式地获取同步状态，这样就可以方便实现不同类型的同步组件（ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock和CountDownLock等）。

队列同步器的接口与示例

同步器的设计是基础模版方法模式的，也就是说，使用者需要继承同步器并重写指定的方法，随后将同步器组合在自定义同步组件的实现中，并调用同步器提供的模版方法，而这些模版方法将会调用使用者重写的方法。

重写同步器指定的方法时，需要使用同步器提供的如下3个方法来访问或修改同步状态

• getState()：获取当前状态
• setState(int newState)：设置当前同步状态
• compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS设置当前状态，该方法能够保证状态设置的原子性

同步器可重写的方法与描述如下表

方法名称	描述
protected boolean tryAcquire(int arg)	独占式获取同步状态，实现该方法需要查询当前状态并判断同步状态是否符合预期，然后再进行CAS设置同步状态
protected boolean tryRelease(int arg)	独占式释放同步状态，等待获取同步状态的线程将有机会获取同步状态
protected int tryAcquireShared(int arg)	共享式获取同步状态，返回大于等于0的值，表示获取成功，反之，获取失败
protected boolean tryReleaseShared(int arg)	共享式释放同步状态
protected 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所独占

实现自定义同步组件时，将会调用同步器提供的模版方法，这些（部门）模版方法与描述如下

方法名称	描述
void acquire(int arg)	独占式获取同步状态，如果当前线程获取同步状态成功，则由该方法返回，否则，将会进入同步队列等待，该方法将会调用重写的tryAcquire(int arg)方法
void acquireInterruptibly(int arg)	与acquire(int arg)相同，但是该方法响应中断，当前线程未获取到同步状态而进入同步队列中，如果当前线程被中断，则该方法会抛出InterruptedException并返回
boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanos)	在acquireInterruptibly(int arg)基础上增加了超时限制，如果当前线程在超时时间内没有获取到同步状态，那么将会返回false，如果获取到了返回true
void acquireShared(int arg)	共享式的获取同步状态，如果当前线程未获取到同步状态，将会进入同步队列等待，与独占式获取的主要区别是在同一时刻可以有多个线程获取到同步状态
void acquireSharedInterruptibly(int arg)	与acquireShared(int arg)相同，该方法响应中断
boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanos)	在acquireSharedInterruptibly(int arg)基础上增加了超时限制
boolean release(int arg)	独占式的释放同步状态，该方法会在释放同步状态之后，将同步队列中第一个节点包含的线程唤醒
boolean releaseShared(int arg)	共享式的释放同步状态
Collection<Thread> getQueuedThreads()	获取等待在同步队列上的线程集合

同步器提供的模版方法基本上分为3类：独占式获取与释放同步状态、共享式获取与释放同步状态和查询同步队列中的等待线程情况。自定义同步组件将使用同步器提供的模版方法来实现自己的同步语义。

顾名思义，独占锁就是在同一时刻只能有一个线程获取到锁，而其他获取锁的线程只能处于同步队列中等待，只有获取锁的线程释放了锁，后继的线程才能够获取锁，如下代码所示

public class Mutex implements Lock {

    private static class Sync extends AbstractQueuedLongSynchronizer{

        //是否处于占用状态
        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }

        //当状态为0的时候获取锁
        public boolean tryAcquire(int acquires){
            if(compareAndSetState(0, 1)){
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        //释放锁，将状态设置0
        protected boolean tryRelease(int releases){
            if(getState() == 0) throw new IllegalArgumentException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }

        //返回一个Condition,每个condition都包含一个condition队列
        Condition newCondition(){return new ConditionObject();}
    }

    //仅需要将操作代理到Sync上即可
    private final Sync sync = new Sync();
    @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();
    }
}

上述代码中，独占锁Mutex是一个自定义同步组件，它在同一时刻只允许一个线程占有锁。Mutex中定义了一个静态内部类，该内部类继承了同步器并实现了独占式获取和释放同步状态。在tryAcquire(int acquires)方法中，如果经过CAS设置成功（同步状态设置为1），则代表获取了同步状态，而在tryRelease(int releases)方法中只是将同步状态重置为0.用户使用Mutex时并不会直接和内部同步器的实现打交道，而是调用Mutex提供的方法，在Mutex实现中，以获取锁的lock()方法为例，只需要在方法实现中调用同步器的模版方法acquire(int args)即可，当前线程调用该方法获取同步状态失败后被加入到同步队列中等待，这样就大大降低了实现一个可靠自定义同步组件的门槛。

重入锁

重入锁ReentrantLock,顾名思义，就是支持重进入的锁，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁的还支持获取锁时的公平和非公平性选择。

ReentrantLock虽然没能像synchronized关键字一样支持隐式的重进入，但是在调用lock()方法时，已经获取到锁的线程，能够再次调用lock()方法获取锁而不被阻塞。这里提到一个锁获取的公平性问题，如果在绝对时间上，先对锁进行获取的请求一定先被满足，那么这个锁是公平的，反之是不公平的。公平的获取锁，也就是等待时间最长的线程最优先获取锁，也可以说锁获取是顺序的。ReentrantLock提供了一个构造函数，能够控制锁是否是公平的。

实现重进入

重进入是指任意线程在获取到锁之后能够再次获取该锁而不会被锁所阻塞，该特性的实现需要解决以下两个问题

（1）线程再次获取锁：锁需要去识别获取锁的线程是否为当前占据锁的线程，如果是则再次成功获取

（2）锁的最终释放：线程重复N次获取了锁，随后在第N次释放该锁后，其他线程能够获取到该锁。锁的最终释放要求锁对于获取进行技术自增，计数表示当前锁被重复获取次数，而锁被释放时，计数自减，当计数等于0时表示锁已经成功释放

ReentrantLock是通过组合自定义同步器来实现锁的获取与释放，以非公平性（默认的）实现为例，获取同步状态的代码如下

  final boolean nonfairTryAcquire(int acquires){
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if(c == 0){
            if(compareAndSetState(0, acquires)){
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }else if(current == getExclusiveOwnerThread(current)){
            if nextc = c + acquires;
            if(nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

改方法增加了再次获取同步状态的处理逻辑：通过判断当前线程是否为获取锁的线程来决定获取操作是否成功，如果是获取锁的线程再次请求，则将同步状态值进行增加并返回true，表示获取同步状态成功。

成功获取锁的线程再次获取锁，只是增加了同步状态值，这也就要求ReentrantLock在释放同步状态时减少同步状态值，该方法的代码如下

  protected final boolean tryRelease(int releases){
        int c = getState() - releases;
        if(Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if(c == 0){
            free = true;
            ExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

如果该锁被获取了N次，那么前（N - 1）次tryRelease(int releases)方法必须返回false，而只有同步状态完全释放了，才能返回true。可以看到，该方法将同步状态是否为0作为最终释放的条件，当同步状态为0时，将占有线程设置为null，并返回true，表示释放成功。

公平与非公平获取锁的区别

公平性与否是针对获取锁而言的，如果一个锁是公平的，那么锁的获取顺序就应该符合请求的绝对时间顺序，也就是FIFO。

对于非公平锁，只要CAS设置同步状态成功，则表示当前线程获取了锁，而公平锁则不同，如ReentrantLock的tryAcquire方法

 /**
         * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
         * recursive call or no waiters or is first.
         */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

该方法与nonfairTryAcquire(int accquires)比较，唯一不同的位置为判断条件多了hasQueuedPredecessors()方法，即加入了同步队列中当前节点是否有前驱节点的判断，如果该方法返回true，则表示有线程比当前线程更早地请求获取锁，因此需要等待前驱线程获取并释放锁之后才能继续获取锁。

读写锁

之前提到锁（如Mutex和ReentrantLock）基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

在没有读写锁支持的（Java 1.5之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键进行同步），这样做的目的是使读操作能正确读取到数据。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可。当写锁被获取到时，后续（非当前写操作线程）的读写操作都会被阻塞，写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式而言，变得简单明了。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读时对于写的。在读多余写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如下表

特性	说明
公平性选择	支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平
重进入	该锁支持重进入，以读写线程为例：读线程在获取了读锁之后，能够再次获取读锁。而写线程在获取了写锁之后能够再次获取写锁，同时也可以获取读锁
锁降级	遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁

读写锁的接口与示例

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()方法，而其实现——ReentrantReadWriteLock,除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法

方法名称	描述
int getReadLockCount()	返回当前读锁被获取的次数。该次数不等于获取读锁的线程数，例如，仅一个线程，它连续获取（重进入）了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1，但该方法返回n
int getReadHoldCount()	返回当前线程获取读锁的次数。该方法在Java6中加入到ReentrantReadWriteLock中，使用ThreadLock保存当前线程获取的次数，这要是的Java6的实现变得更加复杂
boolean isWriteLocked()	判断写锁是否被获取
int getWriteHoldCount()	返回当前写锁被获取的次数

接下来通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，如下代码

public class Cache {

    static Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    //获取一个key对应的value
    public static final Object get(String key){
        readLock.lock();
        try {
            return map.get(key);
        }finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    //设置key对应的value，并返回旧的value
    public static final Object put(String key, Object value){
        writeLock.unlock();
        try {
            return map.put(key, value);
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    //清空所有内容
    public static final void clean(){
        writeLock.unlock();
        try {
            map.clear();
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作方法和clean方法，在更新hashmap时必须提前获取写锁，当获取写锁后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有读写操作的可见性，同时简化了编程方式。

读写锁的实现分析

接下来分析ReentrantReadWriteLock的实现，主要包括：读写状态的设计、写锁的获取与释放、读锁的获取与释放以及锁降级

读写状态的设计：读写锁同意依赖自定义同步器来实现同步功能，而读写状态就是其同步器的同步状态。回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而读写锁的自定义同步器需要在同步状态（一个整型变量）上维护多个读线程和一个写线程的状态，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。读写锁是根据位运算知道各自状态的，有兴趣的小伙伴可以自行去查资料。

写锁的获取与释放：写锁是一个支持重进入的排它锁。如果当前线程已经获取了写锁，则增加写状态。如果当前线程在获取写锁时，读锁已经被获取（读状态不为0）或者该线程不是已经获取写锁的线程，则当前线程进入等待状态，获取写锁的代码如下

 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            /*
             * Walkthrough:
             * 1. If read count nonzero or write count nonzero
             *    and owner is a different thread, fail.
             * 2. If count would saturate, fail. (This can only
             *    happen if count is already nonzero.)
             * 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
             *    it is either a reentrant acquire or
             *    queue policy allows it. If so, update state
             *    and set owner.
             */
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            int w = exclusiveCount(c);
            if (c != 0) {
                // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // Reentrant acquire
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

该方法除了重入条件（当前线程为获取 写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果读锁存在，则写锁不能获取，原因在于：读写锁要确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被索取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此只有等待其他线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时，表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写现承诺的修改对后续读写线程可见

读锁的获取与释放：读锁是一个支持重进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取，在没有其他写线程访问（或者写状态为0）时，读锁总会被成功地获取，而所做的也只是（线程安全的）增加读状态。

锁降级：锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁，然后将其释放，最后再获取读锁，这种分段完成的过程不能称之为锁降级，锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。

LockSupport工具

当需要阻塞或唤醒一个线程的时候，都会使用LockSupport工具类来完成相应工作。LockSupport定义了一组的公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能，而LockSupport也成为构建同步组件的基础工具。

LockSupport定义了一组以park开头的方法用来阻塞当前线程，以及unpark(Thread thread)方法来唤醒一个被阻塞的线程。Park有停车的意思，假设线程为车辆，那么park方法代表着停车，而unpark方法则是指车辆启动离开，这些方法以及描述如下表

方法名称	描述
void park()	阻塞当前线程，如果调用unpark(Thread thraed)方法或者当前线程被中断，才能从park()方法返回
void parkNanos(long nanos)	阻塞当前线程，最长不超过nanos秒，返回条件在park()的基础上增加了超时返回
void parkUntil(long deadline)	阻塞当前线程，直到deadline时间（从1970年开始到deadline时间的毫秒数）
void unpark(Thread thread)	唤醒处于阻塞状态的线程thread

Condition接口

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、nofity()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

通过对比Object的监视器方法和Condition接口，可以更详细地了解Condition的特性，对比项与特性如下表

对比项	Object Monitor Methods	Condition
前置条件	获取对象的锁	调用Lock.lock()获取锁 调用Lock.newCondition()获取Condition对象
调用方式	直接调用 如：object.wait()	直接调用 如：condition.await()
等待队列个数	一个	多个
当前线程释放锁并进入等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的全部线程	支持	支持

Condition接口与示例

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的newCondition()方法）创建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

Condition的使用方式比较简单，需要注意在调用方法前获取锁，使用方式如下代码所示

    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    public void conditionWait() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void conditionSignal() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

如示例所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。