ReentrantLock与Condition

来源:转载

  http://blog.csdn.net/a511596982/article/details/8288251

一、ReentrantLock 类


1.1 什么是reentrantlock


java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象,它允许把锁定的实现作为 Java 类,而不是作为语言的特性来实现。这就为 Lock 的多种实现留下了空间,各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。 ReentrantLock 类实现了 Lock ,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外,它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。(换句话说,当许多线程都想访问共享资源时,JVM 可以花更少的时候来调度线程,把更多时间用在执行线程上。)
reentrant 锁意味着什么呢? 简单来说,它有一个与锁相关的获取计数器,如果拥有锁的某个线程再次得到锁,那么获取计数器就加1,然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义;如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块,就允许线程继续进行,当线程退出第二个(或者后续) synchronized 块的时候,不释放锁,只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时,才释放锁。

1.2  ReentrantLock与 synchronized的比较


相同: ReentrantLock提供了synchronized类似的功能和内存语义。

不同:

(1)ReentrantLock功能性方面更全面,比如时间锁等候,可中断锁等候,锁投票等,因此更有扩展性。在多个条件变量和高度竞争锁的地方,用ReentrantLock更合适,ReentrantLock还提供了Condition,对线程的等待和唤醒等操作更加灵活,一个ReentrantLock可以有多个Condition实例,所以更有扩展性。

(2)ReentrantLock 的性能比synchronized会好点。

(3)ReentrantLock提供了可轮询的锁请求,他可以尝试的去取得锁,如果取得成功则继续处理,取得不成功,可以等下次运行的时候处理,所以不容易产生死锁,而synchronized则一旦进入锁请求要么成功,要么一直阻塞,所以更容易产生死锁。


1.3  ReentrantLock扩展的功能


1.3.1 实现可轮询的锁请求 


在内部锁中,死锁是致命的——唯一的恢复方法是重新启动程序,唯一的预防方法是在构建程序时不要出错。而可轮询的锁获取模式具有更完善的错误恢复机制,可以规避死锁的发生。 
如果你不能获得所有需要的锁,那么使用可轮询的获取方式使你能够重新拿到控制权,它会释放你已经获得的这些锁,然后再重新尝试。可轮询的锁获取模式,由tryLock()方法实现。此方法仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。如果锁可用,则获取锁,并立即返回值true。如果锁不可用,则此方法将立即返回值false。此方法的典型使用语句如下: 
Lock lock = ...; if (lock.tryLock()) { try { // manipulate protected state } finally { lock.unlock(); } } else { // perform alternative actions }

1.3.2 实现可定时的锁请求 


当使用内部锁时,一旦开始请求,锁就不能停止了,所以内部锁给实现具有时限的活动带来了风险。为了解决这一问题,可以使用定时锁。当具有时限的活 
动调用了阻塞方法,定时锁能够在时间预算内设定相应的超时。如果活动在期待的时间内没能获得结果,定时锁能使程序提前返回。可定时的锁获取模式,由tryLock(long, TimeUnit)方法实现。 

1.3.3 实现可中断的锁获取请求 


可中断的锁获取操作允许在可取消的活动中使用。lockInterruptibly()方法能够使你获得锁的时候响应中断。

1.4 ReentrantLock不好与需要注意的地方


(1) lock 必须在 finally 块中释放。否则,如果受保护的代码将抛出异常,锁就有可能永远得不到释放!这一点区别看起来可能没什么,但是实际上,它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁,可能会在程序中留下一个定时炸弹,当有一天炸弹爆炸时,您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步,JVM 将确保锁会获得自动释放(2) 当 JVM 用 synchronized 管理锁定请求和释放时,JVM 在生成线程转储时能够包括锁定信息。这些对调试非常有价值,因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。 Lock 类只是普通的类,JVM 不知道具体哪个线程拥有 Lock 对象。

二、 条件变量 Condition


条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

条件 (也称为条件队列  或 条件变量 )为线程提供了一个含义,以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前,一直挂起该线程(即让其“等待”)。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中,所以它必须受保护,因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是:以原子方式  释放相关的锁,并挂起当前线程,就像  Object.wait  做的那样。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定,而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock 中提到,获取一个条件变量的方法是 Lock.newCondition()

void await() throws InterruptedException;void awaitUninterruptibly();long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;void signal();void signalAll();


以上是 Condition 接口定义的方法, await* 对应于 Object.waitsignal 对应于Object.notifysignalAll 对应于 Object.notifyAll 。特别说明的是Condition 的接口改变名称就是为了避免与Object中的 wait/notify/notifyAll 的语义和使用上混淆,因为Condition同样有wait/notify/notifyAll 方法。

每一个 Lock 可以有任意数据的 Condition 对象, Condition 是与Lock 绑定的,所以就有 Lock 的公平性特性:如果是公平锁,线程为按照FIFO的顺序从 Condition.await 中释放,如果是非公平锁,那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。

一个使用Condition实现生产者消费者 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(); } }}


在这个例子中消费 take() 需要 队列不为空,如果为空就挂起( await() ),直到收到 notEmpty 的信号;生产 put() 需要队列不满,如果满了就挂起( await() ),直到收到 notFull 的信号。

可能有人会问题,如果一个线程lock() 对象后被挂起还没有 unlock ,那么另外一个线程就拿不到锁了( lock() 操作会挂起),那么就无法通知(notify )前一个线程,这样岂不是“死锁”了?

 

2.1 await* 操作


上一节中说过多次 ReentrantLock 是独占锁,一个线程拿到锁后如果不释放,那么另外一个线程肯定是拿不到锁,所以在 lock.lock()lock.unlock() 之间可能有一次释放锁的操作(同样也必然还有一次获取锁的操作)。我们再回头看代码,不管 take() 还是 put() ,在进入 lock.lock() 后唯一可能释放锁的操作就是 await() 了。也就是说 await() 操作实际上就是释放锁,然后挂起线程,一旦条件满足就被唤醒,再次获取锁!

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() 的代码片段。上一节中说过,AQS在获取锁的时候需要有一个CHL 的FIFO队列,所以对于一个 Condition.await() 而言,如果释放了锁,要想再一次获取锁那么就需要进入队列,等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的:

    1. 将当前线程加入 Condition 锁队列。特别说明的是,这里不同于 AQS 的队列,这里进入的是 Condition 的FIFO队列。后面会具体谈到此结构。进行2。
    2. 释放锁。这里可以看到将锁释放了,否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
    3. 自旋(while)挂起,直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
    4. 获取锁( acquireQueued )。并将自己从 Condition 的FIFO队列中释放,表明自己不再需要锁(我已经拿到锁了)。

这里再回头介绍 Condition 的数据结构。我们知道一个 Condition 可以在多个地方被 await*() ,那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition 串联起来,然后根据需要唤醒一个或者多个(通常是所有)。所以在 Condition 内部就需要一个FIFO的队列。

private transient Node firstWaiter;private transient Node lastWaiter;

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点(Node)数据结构。我们就发现Node.nextWaiter 就派上用场了! nextWaiter 就是将一系列的 Condition.await* 串联起来组成一个FIFO的队列。

 

2.2 signal/signalAll 操作


await*() 清楚了,现在再来看signal/signalAll 就容易多了。按照 signal/signalAll 的需求,就是要将 Condition.await*() 中FIFO队列中第一个Node 唤醒(或者全部 Node )唤醒。尽管所有 Node 可能都被唤醒,但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁,其它没有拿到锁的线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);}


上面的代码很容易看出来,signal 就是唤醒 Condition 队列中的第一个非CANCELLED节点线程,而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

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;}


上面就是唤醒一个 await*() 线程的过程,根据前面的小节介绍的,如果要 unpark 线程,并使线程拿到锁,那么就需要线程节点进入 AQS 的队列。所以可以看到在 LockSupport.unpark 之前调用了 enq(node) 操作,将当前节点加入到AQS 队列。


参考:

《深入浅出 Java Concurrency》—锁机制(一)Lock与ReentrantLock
http://blog.csdn.net/fg2006/article/details/6397894
Java多线程基础总结七:ReentrantLock(2)
http://www.bianceng.cn/Programming/Java/201206/34155_2.htm
再谈重入锁--ReentrantLock
http://tenyears.iteye.com/blog/48750
深入浅出 Java Concurrency (9): 锁机制 part 4
http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/08/325540.html


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