前言
今天我们继续学习并发。在之前我们学习了 JMM 的知识，知道了在并发编程中，为了保证线程的安全性，需要保证线程的原子性，可见性，有序性。其中，synchronized 高频出现，因为他既保证了原子性，也保证了可见性和有序性。为什么，因为 synchronized 是锁。通过锁，可以让原本并行的任务变成串行。然而如你所见，这也导致了严重的性能受损。因此，不到万不得已，不要使用锁，特别是吞吐量要求特别高的 WEB 服务器。如果锁住，性能将呈几何级下降。
但我们仍然需要锁，在某些操作共享变量的时刻，仍然需要锁来保证数据的准确性。而Java 世界有 3 把锁，今天我们主要说说这 3 把锁的用法。
- synchronized 关键字
- ReentrantLock 重入锁
- ReadWriteLock 读写锁
1. synchronized 关键字
synchronized 可以说是我们学习并发的时候第一个学习的关键字，该关键字粗鲁有效，通常是初级程序员最爱使用的，也因此会经常导致一些性能损失和死锁问题。
下面是 synchronized 的 3 个用法：
void resource1() {
synchronized ("resource1") {
System.out.println("作用在同步块中");
}
}
synchronized void resource3() {
System.out.println("作用在实例方法上");
}
static synchronized void resource2() {
System.out.println("作用在静态方法上");
}
整理以下这个关键字的用法：
- 指定加锁对象（代码块）：对给定对象加锁，进入同步代码前要获得给定对象的锁。
- 直接作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。
- 直接作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入同步代码块前要获得当前类的锁。
synchronized 在发生异常的时候会释放锁，这点需要注意一下。
synchronized 修饰的代码在生产字节码的时候会有 monitorenter 和 monitorexit 指令，而这两个指令在底层调用了虚拟机8大指令中其中两个指令-----lock 和 unlock。
synchronized 虽然万能，但是还是有很多局限性，比如使用它经常会发生死锁，且无法处理，所以 Java 在 1.5版本的时候，加入了另一个锁 Lock 接口。我们看看该接口下的有什么。
2. ReentrantLock 重入锁
JDK 在 1.5 版本新增了java.util.concurrent 包，有并发大师 Doug Lea 编写，其中代码鬼斧神工。值得我们好好学习，包括今天说的 Lock。
Lock 接口
/**
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
void lock(); 获得锁
void lockInterruptibly() ;
boolean tryLock(); 尝试获取锁，如果获取不到，立刻返回false。
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 在
void unlock(); 在给定的时间里等待锁，超过时间则自动放弃
Condition newCondition(); 获取一个重入锁的好搭档，搭配重入锁使用
上面说了Lock的机构抽象方法，那么 Lock 的实现是什么呢？标准实现了 ReentrantLock， ReadWriteLock。也就是我们今天讲的重入锁和读写锁。我们先讲重入锁。
先来一个简单的例子：
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockText implements Runnable {
/**
* Re - entrant - Lock
* 重入锁，表示在单个线程内，这个锁可以反复进入，也就是说，一个线程可以连续两次获得同一把锁。
* 如果你不允许重入，将导致死锁。注意，lock 和 unlock 次数一定要相同，如果不同，就会导致死锁和监视器异常。
*
* synchronized 只有2种情况：1继续执行，2保持等待。
*/
static Lock lock = new ReentrantLock();
static int i;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LockText lockText = new LockText();
Thread t1 = new Thread(lockText);
Thread t2 = new Thread(lockText);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
lock.lock();
try {
i++;
} finally {
// 因为lock 如果发生了异常，是不会释放锁的，所以必须在 finally 块中释放锁
// synchronized 发生异常会主动释放锁
lock.unlock();
}
}
}
}
在上面的代码中，我们使用了try 块中保护了临界资源 i 的操作。可以看到， 重入锁不管是开启锁还是释放锁都是显示的，其中需要注意的一点是，重入锁运行时如果发生了异常，不会像 synchronized 释放锁，因此需要在 finally 中释放锁。否则将产生死锁。
什么是重入锁？锁就是锁呗，为什么叫重入锁？之所以这么叫，那是因为这种锁是可以反复进入的（一个线程），大家看看下面的代码：
lock.lock();
lock.lock();
tyr{
i++;
} finally{
lock.unlock();
lock.unlock();
}
在这种情况下，一个线程连续两次获得两把锁，这是允许的。如果不允许这么操作，那么同一个线程咋i第二次获得锁是，将会和自己产生死锁。当然，需要注意的是，如果你多次获得了锁，那么也要相同的释放多次，如果释放锁的次数多了，就会得到一个 IllegalMonitorStateException 异常，反之，如果释放锁的次数少了，那么相当于这个线程还没有释放锁，其他线程也就无法进入临界区。
重入锁能够实现 synchronized 的所有功能，而且功能更为强大，我们看看有哪些功能。
中断响应
对于 synchronized 来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有2种，要么他获得这把锁继续运行，要么他就保持等待。没有第三种可能，那如果我有一个需求：需要线程在等待的时候中断线程，synchronizded 是做不到的。而重入锁可以做到，就是 lockInterruptibly 方法，该方法可以获取锁，并且在获取锁的过程种支持线程中断，也就是说，如果调用了线程中断方法，那么就会抛出异常。相对于 lock 方法，是不是更为强大？还是写个例子吧：
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* ReentrantLock(重入锁)
*
* Condition(条件)
*
* ReadWriteLock(读写锁)
*/
public class IntLock implements Runnable {
/**
* 默认是不公平的锁，设置为 true 为公平锁
*
* 公平：在多个线程的争用下，这些锁倾向于将访问权授予等待时间最长的线程；
* 使用公平锁的程序在许多线程访问时表现为很低的总体吞吐量（即速度很慢，常常极其慢）
* 还要注意的是，未定时的 tryLock 方法并没有使用公平设置
*
* 不公平：此锁将无法保证任何特定访问顺序
*
* 拾遗：1 该类的序列化与内置锁的行为方式相同：一个反序列化的锁处于解除锁定状态，不管它被序列化时的状态是怎样的。
* 2.此锁最多支持同一个线程发起的 2147483648 个递归锁。试图超过此限制会导致由锁方法抛出的 Error。
*/
static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock(true);
static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
/**
* 控制加锁顺序，方便制造死锁
* @param lock
*/
public IntLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
/**
* lockInterruptibly 方法： 获得锁，但优先响应中断
* tryLock 尝试获得锁，不等待
* tryLock(long time , TimeUnit unit) 尝试获得锁，等待给定的时间
*/
@Override
public void run() {
try {
if (lock == 1) {
// 如果当前线程未被中断，则获取锁。
lock1.lockInterruptibly();// 即在等待锁的过程中，可以响应中断。
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 试图获取 lock 2 的锁
lock2.lockInterruptibly();
} else {
lock2.lockInterruptibly();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 该线程在企图获取 lock1 的时候，会死锁，但被调用了 thread.interrupt 方法，导致中断。中断会放弃锁。
lock1.lockInterruptibly();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock1.isHeldByCurrentThread()) {
lock1.unlock();
}
// 查询当前线程是否保持此锁。
if (lock2.isHeldByCurrentThread()) {
lock2.unlock();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ": 线程退出");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
/**
* 这部分代码主要是针对 lockInterruptibly 方法，该方法在线程发生死锁的时候可以中断线程。让线程放弃锁。
* 而 synchronized 是没有这个功能的， 他要么获得锁继续执行，要么继续等待锁。
*/
IntLock r1 = new IntLock(1);
IntLock r2 = new IntLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(1000);
// 中断其中一个线程（只有线程在等待锁的过程中才有效）
// 如果线程已经拿到了锁，中断是不起任何作用的。
// 注意：这点 synchronized 是不能实现此功能的，synchronized 在等待过程中无法中断
t2.interrupt();
// t2 线程中断，抛出异常，并放开锁。没有完成任务
// t1 顺利完成任务。
}
}
在上面的代码种，我们分别启动两个线程，制造了一个死锁，如果是 synchronized 是无法解除这个死锁的，这个时候重入锁的威力就出来了，我们调用线程的 interrupt 方法，中断线程，我们说，这个方法在线程 sleep，join ，wait 的时候，都会导致异常，这里也一羊，由于我们使用的 lock 的 lockInterruptibly 方法，该方法就像我们刚说的那样，在等待锁的时候，如果线程被中断了，就会出现异常，同时调用了 finally 种的 unlock 方法，注意，我们在 finally 中用 isHeldByCurrentThread 判断当前线程是否持有此锁，这是一种预防措施，放置线程没有持有此锁，导致出现 monitorState 异常。
锁申请
除了等待通知之外，避免死锁还有另一种方法，就是超时等待，如果超过这个时间，线程就放弃获取这把锁，这点 ，synchronized 也是不支持的。那么，如何使用呢？
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TimeLock implements Runnable {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
@Override
public void run() {
try {
// 最多等待5秒，超过5秒返回false，若获得锁，则返回true
if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
// 锁住 6 秒，让下一个线程无法获取锁
System.out.println("锁住 6 秒，让下一个线程无法获取锁");
Thread.sleep(6000);
} else {
System.out.println("get lock failed");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
TimeLock tl = new TimeLock();
Thread t1 = new Thread(tl);
Thread t2 = new Thread(tl);
t1.start();
t2.start();
}
}
上面的代码中，我们设置锁的等待时间是5秒，但是在同步块中，我们设置了6秒暂停，锁外面的线程等待了5面发现还是不能获取锁，就会放弃。走 else 逻辑，结束执行，注意，这里，我们在 finally 块中依然做了判断，如果不做判断，就会出现 IllegalMonitorStateException 异常。
当然了，tryLock 方法也可以不带时间参数，如果获取不到锁，立刻返回false，否则返回 true。该方法也是应对死锁的一个好办法。我们还是写个例子：
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TryLock implements Runnable {
static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
public TryLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
// 线程1
if (lock == 1) {
while (true) {
// 获取1的锁
if (lock1.tryLock()) {
try {
// 尝试获取2的锁
if (lock2.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " : My Job done");
return;
} finally {
lock2.unlock();
}
}
} finally {
lock1.unlock();
}
}
}
} else {
// 线程2
while (true) {
// 获取2的锁
if (lock2.tryLock()) {
try {
// 尝试获取1的锁
if (lock1.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ": My Job done");
return;
} finally {
lock1.unlock();
}
}
} finally {
lock2.unlock();
}
}
}
}
}
/**
* 这段代码如果使用 synchronized 肯定会引起死锁，但是由于使用 tryLock，他会不断的尝试， 当第一次失败了，他会放弃，然后执行完毕，并释放外层的锁，这个时候就是
* 另一个线程抢锁的好时机。
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
TryLock r1 = new TryLock(1);
TryLock r2 = new TryLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
}
}
这段代码如果使用 synchronized 肯定会引起死锁，但是由于使用 tryLock，他会不断的尝试， 当第一次失败了，他会放弃，然后执行完毕，并释放外层的锁，这个时候就是另一个线程抢锁的好时机。
公平锁和非公平锁
大多数情况下，为了效率，锁都是不公平的。系统在选择锁的时候都是随机的，不会按照某种顺序，比如时间顺序，公平锁的一大特点：他不会产生饥饿现象。只要你排队 ，最终还是可以得到资源的。如果我们使用 synchronized ，得到的锁就是不公平的。因此，这也是重入锁比 synchronized 强大的一个优势。我们同样写个例子：
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class FairLock implements Runnable {
// 公平锁和非公平锁的结果完全不同
/*
* 10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
9 获得锁
======================下面是公平锁，上面是非公平锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得锁
9 获得锁
10 获得
*
* */
static ReentrantLock unFairLock = new ReentrantLock(false);
static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
fairLock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 获得锁");
} finally {
fairLock.unlock();
}
}
}
/**
* 默认是不公平的锁，设置为 true 为公平锁
*
* 公平：在多个线程的争用下，这些锁倾向于将访问权授予等待时间最长的线程；
* 使用公平锁的程序在许多线程访问时表现为很低的总体吞吐量（即速度很慢，常常极其慢）
* 还要注意的是，未定时的 tryLock 方法并没有使用公平设置
*
* 不公平：此锁将无法保证任何特定访问顺序，但是效率很高
*
*/
public static void main(String[] args) {
FairLock fairLock = new FairLock();
Thread t1 = new Thread(fairLock, "cxs - t1");
Thread t2 = new Thread(fairLock, "cxs - t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
重入锁的构造函数有一个 boolean 参数，ture 表示公平，false 表示不公平，默认是不公平的，公平锁会降低性能。代码中由运行结果，可以看到，公平锁的打印顺序是完全交替运行，而不公平锁的顺序完全是随机的。注意：如果没有特殊需求，请不要使用公平锁，会大大降低吞吐量。
到这里，我们总结一下重入锁相比 synchronized 有哪些优势：
- 可以在线程等待锁的时候中断线程，synchronized 是做不到的。
- 可以尝试获取锁，如果获取不到就放弃，或者设置一定的时间，这也是 synchroized 做不到的。
- 可以设置公平锁，synchronized 默认是非公平锁，无法实现公平锁。
当然，大家会说， synchronized 可以通过 Object 的 wait 方法和 notify 方法实现线程之间的通信，重入锁可以做到吗？楼主告诉大家，当然可以了！ JDK 中的阻塞队列就是用重入锁加 他的搭档 condition 实现的。
重入锁的好搭档-----Condition
还记的刚开始说 Lock 接口有一个newCondition 方法吗，该方法就是获取 Condition 的。该 Condition 绑定了该锁。Condition 有哪些方法呢？我们看看：
public interface Condition {
void await() throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
}
看着是不是特别属性，Condition 为了不和 Object 类的 wait 方法冲突，使用 await 方法，而 signal 方法对应的就是 notify 方法。signalAll 方法对应的就是 notifyAll 方法。其中还有一些时间限制的 await 方法，和 Object 的 wait 方法的作用相同。注意，其中有一个 awaitUninterruptibly 方法，该方法从名字可以看出，并不会响应线程的中断，而 Object 的 wait 方法是会响应的。而 awaitUntil 方法就是等待到一个给定的绝对时间。除非调用了 signal 或者中断了。如何使用呢？来一段代码吧：
package cn.think.in.java.lock.condition;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 重入锁的好搭档
*
* await 使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用 signal 或者 signalAll 方法时，线程会重新获得锁并继续执行。
* 或者当线程被中断时，也能跳出等待，这和 Object.wait 方法很相似。
* awaitUninterruptibly() 方法与 await 方法基本相同，但是它并不会在等待过程中响应中断。
* singal（） 该方法用于唤醒一个在等待中的线程，相对的 singalAll 方法会唤醒所有在等待的线程，这和 Object.notify 方法很类似。
*/
public class ConditionTest implements Runnable {
static Lock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
// 该线程会释放 lock 的锁，也就是说，一个线程想调用 condition 的方法，必须先获取 lock 的锁。
// 否则就会像 object 的 wait 方法一样，监视器异常
condition.await();
System.out.println("Thread is going on");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ConditionTest t = new ConditionTest();
Thread t1 = new Thread(t);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
// 通知 t1 继续执行
// main 线程必须获取 lock 的锁，才能调用 condition 的方法。否则就是监视器异常，这点和 object 的 wait 方法是一样的。
lock.lock(); // IllegalMonitorStateException
// 从 condition 的等待队列中，唤醒一个线程。
condition.signal();
lock.unlock();
}
}
可以说，condition 的使用方式和 Object 类的 wait 方法的使用方式很相似，无论在哪一个线程中调用 await 或者 signal 方法，都必须获取对应的锁，否则会出现 IllegalMonitorStateException 异常。
到这里，我们可以说， Condition 的实现比 Object 的 wait 和 notify 还是强一点，其中就包括了等待到指定的绝对时间，并且还有一个不受线程中断影响的 awaitUninterruptibly 方法。因此，我们说，只要允许，请使用重入锁，尽量不要使用无脑的 synchronized 。虽然在 JDK 1.6 后， synchronized 被优化了，但仍然建议使用 重入锁。
3. ReadWriteLock 读写锁
伟大的 Doug Lea 不仅仅创造了 重入锁，还创造了 读写锁。什么是读写锁呢？我们知道，线程不安全的原因来自于多线程对数据的修改，如果你不修改数据，根本不需要锁。我们完全可以将读写分离，提高性能，在读的时候不使用锁，在写的时候才加入锁。这就是 ReadWriteLock 的设计原理。
那么，如何使用呢？
package cn.think.in.java.lock;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReadWriteLockDemo {
static Lock lock = new ReentrantLock();
static ReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
static Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();
int value;
public Object handleRead(Lock lock) throws InterruptedException {
try {
lock.lock();
// 模拟读操作，读操作的耗时越多，读写锁的优势就越明显
Thread.sleep(1000);
return value;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void handleWrite(Lock lock, int index) throws InterruptedException {
try {
lock.lock();
Thread.sleep(1000); // 模拟写操作
value = index;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
final ReadWriteLockDemo demo = new ReadWriteLockDemo();
Runnable readRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
demo.handleRead(readLock);
// demo.handleRead(lock);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
Runnable writeRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
demo.handleWrite(writeLock, new Random().nextInt());
// demo.handleWrite(lock, new Random().nextInt());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
/**
* 使用读写锁，这段程序只需要2秒左右
* 使用普通的锁，这段程序需要20秒左右。
*/
for (int i = 0; i < 18; i++) {
new Thread(readRunnable).start();
}
for (int i = 18; i < 20; i++) {
new Thread(writeRunnable).start();
}
}
}
使用 ReentrantReadWriteLock 的 readLock（）方法可以返回读锁，writeLock 可以返回写锁，我们使用普通的的重入锁和读写锁进行测试，怎么测试呢？
两个循环：一个循环开启18个线程去读数据，一个循环开启两个线程去写。如果使用普通的重入锁，将耗时20秒，因为普通的重入锁在读的时候依然是串行的。而如果使用读写锁，只需要2秒，也就是写的时候是串行的。读的时候是并行的，极大的提高了性能。
注意：只要涉及到写都是串行的。比如读写操作，写写操作，都是串行的，只有读读操作是并行的。
读写锁 ReadWriteLock 接口只有 2个方法:
Lock readLock(); 返回一个读锁 Lock writeLock(); 返回一个写锁
他的标准实现类是 ReentrantReadWriteLock 类，该类和普通重入锁一样，也能实现公平锁，中断响应，锁申请等特性。因为他们返回的读锁或者写锁都实现了 Lock 接口。
总结
到这里，我们已经将 Java 世界的三把锁的使用弄清楚了，从分析的过程中我们知道了，JDK 1.5 的重入锁完全可以代替关键字 synchronized ，能实现很多 synchronized 没有的功能。比如中断响应，锁申请，公平锁等，而重入锁的搭档 Condition 也比 Object 的wait 和notify 强大，比如有设置绝对时间的等待，还有忽略线程中断的 await 方法，这些都是 synchronized 无法实现的。还有优化读性能的 读写锁，在读的时候完全是并行的，在某些场景下，比如读很多，写很少，性能将是几何级别的提升。
所以，以后，能不用 synchronzed 就不要用，用的不好就会导致死锁。
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