Java多线程编程-（5）-使用Lock对象实现同步以及线程间通信

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-06-07 04:37 132阅读 0赞

前几篇：

[Java多线程编程-（1）-线程安全和锁Synchronized概念][Java_-_1_-_Synchronized]

[Java多线程编程-（2）-可重入锁以及Synchronized的其他基本特性][Java_-_2_-_Synchronized]

[Java多线程编程-（3）-线程本地ThreadLocal的介绍与使用][Java_-_3_-_ThreadLocal]

[Java多线程编程-（4）-线程间通信机制的介绍与使用][Java_-_4_-]

在《Java多线程编程-（4）-线程间通信机制的介绍与使用》已经学习了，可以使用方法`wait/notify` 结合同步关键字synchronized实现同步和线程间通信，下边介绍一种更为方便的方式实现同步和线程间通信的效果，那就是Lock对象。

## Lock对象简介 ##

这里为什么说Lock对象哪？Lock其实是一个接口，在JDK1.5以后开始提供，其实现类常用的有ReentrantLock，这里所说的Lock对象即是只Lock接口的实现类，为了方便记忆或理解，都简称为Lock对象。

我们知道synchronized关键字可以实现线程间的同步互斥，从JDK1.5开始新增的ReentrantLock类能够达到同样的效果，并且在此基础上还扩展了很多实用的功能，比使用synchronized更佳的灵活。

ReentrantLock的另一个称呼就是“重入锁”，Reentrant的英文释义为：重入。

何为重入锁，前几篇在学习synchronized的时候，也谈到了重入锁，“一个对象一把锁，多个对象多把锁”，可重入锁的概念就是：自己可以获取自己的内部锁。

ReentrantLock实现了Lock中的接口，继承关系和方法属性如下：

![这里写图片描述][20171012104011829]

下边，就开始一起学习一下ReentrantLock对象。

## 使用ReentrantLock实现线程同步 ##

public class Run { 
    
        public static void main(String[] args) {
    
            Lock lock = new ReentrantLock();
    
            //lambda写法
            new Thread(() -> runMethod(lock), "thread1").start(); new Thread(() -> runMethod(lock), "thread2").start(); new Thread(() -> runMethod(lock), "thread3").start(); new Thread(() -> runMethod(lock), "thread4").start(); //常规写法 new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { runMethod(lock); } }, "thread5").start(); } private static void runMethod(Lock lock) { lock.lock(); for (int i = 1; i <= 5; i++) { System.out.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName() + (" i=" + i)); } System.out.println(); lock.unlock(); } }

运行结果：

ThreadName:thread1 i=1
    ThreadName:thread1 i=2
    ThreadName:thread1 i=3
    ThreadName:thread1 i=4
    ThreadName:thread1 i=5
    
    ThreadName:thread2 i=1
    ThreadName:thread2 i=2
    ThreadName:thread2 i=3
    ThreadName:thread2 i=4
    ThreadName:thread2 i=5
    
    ThreadName:thread3 i=1
    ThreadName:thread3 i=2
    ThreadName:thread3 i=3
    ThreadName:thread3 i=4
    ThreadName:thread3 i=5
    
    ThreadName:thread4 i=1
    ThreadName:thread4 i=2
    ThreadName:thread4 i=3
    ThreadName:thread4 i=4
    ThreadName:thread4 i=5
    
    ThreadName:thread5 i=1
    ThreadName:thread5 i=2
    ThreadName:thread5 i=3
    ThreadName:thread5 i=4
    ThreadName:thread5 i=5

可以看出，当前线程打印完毕之后释放锁，其他线程才可以获取锁然后进行打印。线程打印的数据是分组打印的，这是因为当前线程已经持有锁，在当前线程打印完之后才会释放锁，但线程之间打印的顺序是随机的。

为了进一步说明使用ReentrantLock可以实现线程之间同步，测试代码如下：

public class Run { 
    
        public static void main(String[] args) {
    
            Lock lock = new ReentrantLock();
    
            new Thread(() -> runMethod(lock, 0), "thread1").start(); new Thread(() -> runMethod(lock, 5000), "thread2").start(); new Thread(() -> runMethod(lock, 1000), "thread3").start(); new Thread(() -> runMethod(lock, 5000), "thread4").start(); new Thread(() -> runMethod(lock, 1000), "thread5").start(); } private static void runMethod(Lock lock, long sleepTime) { lock.lock(); try { Thread.sleep(sleepTime); System.out.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } }

运行结果：

ThreadName:thread1
    ThreadName:thread2
    ThreadName:thread3
    ThreadName:thread4
    ThreadName:thread5

可以看出，在sleep指定的时间内，当调用了lock.lock()方法线程就持有了”对象监视器”，其他线程只能等待锁被释放后再次争抢，效果和使用synchronized关键字是一样的。

## 使用Lock对象实现线程间通信 ##

上述，已经大致看了一下如何使用ReentrantLock实现线程之间的同步，下边再看一下ReentrantLock是如何实现线程间通信的。

在前文中我们已经知道可以使用关键字synchronized与wait()方法和notify()方式结合实现线程间通信，也就是**等待/通知模式**。在ReentrantLock中，是借助Condition对象进行实现的。

Condition的创建方式如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

Condition按字面意思理解就是条件，当然，我们也可以将其认为是条件进行使用，这样的话我们可以通过上述的代码创建多个Condition条件，我们就可以根据不同的条件来控制现成的等待和通知。而我们还知道，在使用关键字synchronized与wait()方法和notify()方式结合实现线程间通信的时候，notify/notifyAll的通知等待的线程时是随机的，显然使用Condition相对灵活很多，可以实现”选择性通知”。

这是因为，synchronized关键字相当于整个Lock对象只有一个单一的Condition对象，所有的线程都注册到这个对象上。线程开始notifAll的时候，需要通知所有等待的线程，让他们开始竞争获得锁对象，没有选择权，这种方式相对于Condition条件的方式在效率上肯定Condition较高一些。

下边，我们首先看一个实例。

## 使用Lock对象和Condition实现等待/通知实例 ##

主要方法对比如下：

（1）Object的wait()方法相当于Condition类中的await()方法；  
（2）Object的notify()方法相当于Condition类中的signal()方法；  
（3）Object的notifyAll()方法相当于Condition类中的signalAll()方法；

首先，使用Lock的时候，和《Java多线程编程-（4）-线程间通信机制的介绍与使用》介绍的一样，都需要先获取锁。

示例代码如下：

public class LockConditionDemo { 
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition = lock.newCondition();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
            //使用同一个LockConditionDemo对象，使得lock、condition一样
            LockConditionDemo demo = new LockConditionDemo();
            new Thread(() -> demo.await(), "thread1").start(); Thread.sleep(3000); new Thread(() -> demo.signal(), "thread2").start(); } private void await() { try { lock.lock(); System.out.println("开始等待await！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); condition.await(); System.out.println("等待await结束！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } private void signal() { lock.lock(); System.out.println("发送通知signal！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); condition.signal(); lock.unlock(); } }

运行结果：

开始等待await！ ThreadName：thread1
    发送通知signal！ ThreadName：thread2
    等待await结束！ ThreadName：thread1

可以看出结果正确执行！

## 使用Lock对象和多个Condition实现等待/通知实例 ##

示例代码如下：

public class LockConditionDemo { 
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition conditionA = lock.newCondition();
        private Condition conditionB = lock.newCondition();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
            LockConditionDemo demo = new LockConditionDemo();
    
            new Thread(() -> demo.await(demo.conditionA), "thread1_conditionA").start(); new Thread(() -> demo.await(demo.conditionB), "thread2_conditionB").start(); new Thread(() -> demo.signal(demo.conditionA), "thread3_conditionA").start(); System.out.println("稍等5秒再通知其他的线程！"); Thread.sleep(5000); new Thread(() -> demo.signal(demo.conditionB), "thread4_conditionB").start(); } private void await(Condition condition) { try { lock.lock(); System.out.println("开始等待await！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); condition.await(); System.out.println("等待await结束！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } private void signal(Condition condition) { lock.lock(); System.out.println("发送通知signal！ ThreadName：" + Thread.currentThread().getName()); condition.signal(); lock.unlock(); } }

运行结果：

开始等待await！ ThreadName：thread1_conditionA
    开始等待await！ ThreadName：thread2_conditionB
    发送通知signal！ ThreadName：thread3_conditionA
    等待await结束！ ThreadName：thread1_conditionA
    稍等5秒再通知其他的线程！
    发送通知signal！ ThreadName：thread4_conditionB
    等待await结束！ ThreadName：thread2_conditionB

可以看出实现了分别通知。因此，我们可以使用Condition进行分组，可以单独的通知某一个分组，另外还可以使用signalAll()方法实现通知某一个分组的所有等待的线程。

## 公平锁和非公平锁 ##

概念很好理解，公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程加锁的顺序来分配，即先进先出，那么他就是公平的；非公平是一种抢占机制，是随机获得锁，并不是先来的一定能先得到锁，结果就是不公平的。

ReentrantLock提供了一个构造方法，可以很简单的实现公平锁或非公平锁，源代码构造函数如下：

public ReentrantLock(boolean fair) {
       sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

参数：fair为true表示是公平锁，反之为非公平锁，这里不再写代码测试。

## ReentrantLock的其他方法 ##

ReentrantLock源代码结构如下：

![这里写图片描述][20171010225534699]

方法很简单，看到名称就可以想到作用是什么，挑一些简单介绍一下：

（1）getHoldCount()方法：查询当前线程保持此锁定的个数，也就是调用lock()的次数；

（2）getQueueLength()方法：返回正等待获取此锁定的线程估计数目；

（3）isFair()方法：判断是不是公平锁；

## 使用ReentrantReadWriteLock实现并发 ##

上述的类ReentrantLock具有完全互斥排他的效果，即同一时间只能有一个线程在执行ReentrantLock.lock()之后的任务。

类似于我们集合中有**同步类容器** 和 **并发类容器**，HashTable（HashTable几乎可以等价于HashMap，并且是线程安全的）也是完全排他的，即使是读也只能同步执行，而ConcurrentHashMap就可以实现同一时刻多个线程之间并发。为了提高效率，ReentrantLock的升级版**ReentrantReadWriteLock**就可以实现效率的提升。

ReentrantReadWriteLock有两个锁：**一个是与读相关的锁，称为“共享锁”；另一个是与写相关的锁，称为“排它锁”**。也就是多个读锁之间不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥。

在没有线程进行写操作时，进行读操作的多个线程都可以获取到读锁，而写操作的线程只有获取写锁后才能进行写入操作。即：多个线程可以同时进行读操作，但是同一时刻只允许一个线程进行写操作。

**ReentrantReadWriteLock锁的特性：**

（1）读读共享；  
（2）写写互斥；  
（3）读写互斥；  
（4）写读互斥；

## ReentrantReadWriteLock实例代码 ##

**（1）读读共享**

public class ReentrantReadWriteLockDemo { 
    
        private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    
        public static void main(String[] args) {
    
            ReentrantReadWriteLockDemo demo = new ReentrantReadWriteLockDemo();
    
            new Thread(() -> demo.read(), "ThreadA").start(); new Thread(() -> demo.read(), "ThreadB").start(); } private void read() { try { try { lock.readLock().lock(); System.out.println("获得读锁" + Thread.currentThread().getName() + " 时间:" + System.currentTimeMillis()); //模拟读操作时间为5秒 Thread.sleep(5000); } finally { lock.readLock().unlock(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }

执行结果：

获得读锁ThreadA 时间:1507720692022
    获得读锁ThreadB 时间:1507720692022

可以看出两个线程之间，获取锁的时间几乎同时，说明`lock.readLock().lock();` 允许多个线程同时执行lock（）方法后面的代码。

**（2）写写互斥**

public class ReentrantReadWriteLockDemo { 
    
        private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    
        public static void main(String[] args) {
    
            ReentrantReadWriteLockDemo demo = new ReentrantReadWriteLockDemo();
    
            new Thread(() -> demo.write(), "ThreadA").start(); new Thread(() -> demo.write(), "ThreadB").start(); } private void write() { try { try { lock.writeLock().lock(); System.out.println("获得写锁" + Thread.currentThread().getName() + " 时间:" + System.currentTimeMillis()); //模拟写操作时间为5秒 Thread.sleep(5000); } finally { lock.writeLock().unlock(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }

执行结果：

获得写锁ThreadA 时间:1507720931662
    获得写锁ThreadB 时间:1507720936662

可以看出执行结果大致差了5秒的时间，可以说明多个写线程是互斥的。

**（3）读写互斥或写读互斥**

public class ReentrantReadWriteLockDemo { 
    
        private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ReentrantReadWriteLockDemo demo = new ReentrantReadWriteLockDemo();
    
            new Thread(() -> demo.read(), "ThreadA").start(); Thread.sleep(1000); new Thread(() -> demo.write(), "ThreadB").start(); } private void read() { try { try { lock.readLock().lock(); System.out.println("获得读锁" + Thread.currentThread().getName() + " 时间:" + System.currentTimeMillis()); Thread.sleep(3000); } finally { lock.readLock().unlock(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } private void write() { try { try { lock.writeLock().lock(); System.out.println("获得写锁" + Thread.currentThread().getName() + " 时间:" + System.currentTimeMillis()); Thread.sleep(3000); } finally { lock.writeLock().unlock(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }

执行结果：

获得读锁ThreadA 时间:1507721135908
    获得写锁ThreadB 时间:1507721138908

可以看出执行结果大致差了3秒的时间，可以说明读写线程是互斥的。

[Java_-_1_-_Synchronized]: http://blog.csdn.net/xlgen157387/article/details/77920497
[Java_-_2_-_Synchronized]: http://blog.csdn.net/xlgen157387/article/details/78005352
[Java_-_3_-_ThreadLocal]: http://blog.csdn.net/xlgen157387/article/details/78114278
[Java_-_4_-]: http://blog.csdn.net/xlgen157387/article/details/78195817
[20171012104011829]: /images/20220607/2a7413d2cdbd4fdfb098fb9bdc99a60d.png
[20171010225534699]: /images/20220607/3f86951b57f7490ca0aa37486c579c3a.png