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Java中的锁

来源: ITEYE 作者: ITEye 发布时间: 2015-05-14 浏览次数:

原文链接 作者:Jakob Jenkov 译者:申章 校对:丁一 
java中的锁像synchronized同步块一样,是一种线程同步机制,但比Java中的synchronized同步块更复杂。因为锁(以及其它更高级的线程同步机制)是由synchronized同步块的方式实现的,所以我们还不能完全摆脱synchronized关键字(译者注:这说的是Java 5之前的情况)。 
自Java 5开始,java.util.concurrent.locks包中包含了一些锁的实现,因此你不用去实现自己的锁了。但是你仍然需要去了解怎样使用这些锁,且了解这些实现背后的理论也是很有用处的。可以参考我对java.util.concurrent.locks.Lock的介绍,以了解更多关于锁的信息。 
一个简单的锁 
让我们从java中的一个同步块开始: 
public class Counter{ 
        private int count = 0; 

        public int inc(){ 
                synchronized(this){ 
                        return ++count; 
                } 
        } 

复制代码 

可以看到在inc()方法中有一个synchronized(this)代码块。该代码块可以保证在同一时间只有一个线程可以执行return ++count。虽然在synchronized的同步块中的代码可以更加复杂,但是++count这种简单的操作已经足以表达出线程同步的意思。 
以下的Counter类用Lock代替synchronized达到了同样的目的: 
public class Counter{ 
        private Lock lock = new Lock(); 
        private int count = 0; 

        public int inc(){ 
                lock.lock(); 
                int newCount = ++count; 
                lock.unlock(); 
                return newCount; 
        } 

复制代码 

lock()方法会对Lock实例对象进行加锁,因此所有对该对象调用lock()方法的线程都会被阻塞,直到该Lock对象的unlock()方法被调用。 
这里有一个Lock类的简单实现: 
public class Counter{ 
public class Lock{ 
        private boolean isLocked = false; 

        public synchronized void lock() 
                throws InterruptedException{ 
                while(isLocked){ 
                        wait(); 
                } 
                isLocked = true; 
        } 

        public synchronized void unlock(){ 
                isLocked = false; 
                notify(); 
        } 

复制代码 

注意其中的while(isLocked)循环,它又被叫做“自旋锁”。自旋锁以及wait()和notify()方法在线程通信这篇文章中有更加详细的介绍。当isLocked为true时,调用lock()的线程在wait()调用上阻塞等待。为防止该线程没有收到notify()调用也从wait()中返回(也称作虚假唤醒),这个线程会重新去检查isLocked条件以决定当前是否可以安全地继续执行还是需要重新保持等待,而不是认为线程被唤醒了就可以安全地继续执行了。如果isLocked为false,当前线程会退出while(isLocked)循环,并将isLocked设回true,让其它正在调用lock()方法的线程能够在Lock实例上加锁。 
当线程完成了临界区(位于lock()和unlock()之间)中的代码,就会调用unlock()。执行unlock()会重新将isLocked设置为false,并且通知(唤醒)其中一个(若有的话)在lock()方法中调用了wait()函数而处于等待状态的线程。 
锁的可重入性 
Java中的synchronized同步块是可重入的。这意味着如果一个java线程进入了代码中的synchronized同步块,并因此获得了该同步块使用的同步对象对应的管程上的锁,那么这个线程可以进入由同一个管程对象所同步的另一个java代码块。下面是一个例子: 
public class Reentrant{ 
    public synchronized outer(){ 
        inner(); 
    } 
    public synchronized inner(){ 
        //do something 
    } 

复制代码 
注意outer()和inner()都被声明为synchronized,这在Java中和synchronized(this)块等效。如果一个线程调用了outer(),在outer()里调用inner()就没有什么问题,因为这两个方法(代码块)都由同一个管程对象(”this”)所同步。如果一个线程已经拥有了一个管程对象上的锁,那么它就有权访问被这个管程对象同步的所有代码块。这就是可重入。线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块。 
前面给出的锁实现不是可重入的。如果我们像下面这样重写Reentrant类,当线程调用outer()时,会在inner()方法的lock.lock()处阻塞住。 
public class Reentrant2{ 
    Lock lock = new Lock(); 

    public outer(){ 
        lock.lock(); 
        inner(); 
        lock.unlock(); 
    } 

    public synchronized inner(){ 
        lock.lock(); 
        //do something 
        lock.unlock(); 
    } 

复制代码 
调用outer()的线程首先会锁住Lock实例,然后继续调用inner()。inner()方法中该线程将再一次尝试锁住Lock实例,结果该动作会失败(也就是说该线程会被阻塞),因为这个Lock实例已经在outer()方法中被锁住了。 
两次lock()之间没有调用unlock(),第二次调用lock就会阻塞,看过lock()实现后,会发现原因很明显: 
public class Lock{ 
    boolean isLocked = false; 

    public synchronized void lock() 
        throws InterruptedException{ 
        while(isLocked){ 
            wait(); 
        } 
        isLocked = true; 
    } 
    ... 

复制代码 
一个线程是否被允许退出lock()方法是由while循环(自旋锁)中的条件决定的。当前的判断条件是只有当isLocked为false时lock操作才被允许,而没有考虑是哪个线程锁住了它。 
为了让这个Lock类具有可重入性,我们需要对它做一点小的改动: 
public class Lock{ 
    boolean isLocked = false; 
    Thread  lockedBy = null; 
    int lockedCount = 0; 
    public synchronized void lock() 
        throws InterruptedException{ 
        Thread callingThread = 
            Thread.currentThread(); 
        while(isLocked && lockedBy != callingThread){ 
            wait(); 
        } 

        isLocked = true; 
        lockedCount++; 
        lockedBy = callingThread; 

  } 

    public synchronized void unlock(){ 
        if(Thread.curentThread() == 
            this.lockedBy){ 
            lockedCount--; 
            if(lockedCount == 0){ 
                isLocked = false; 
                notify(); 
            } 
        } 
    } 
    ... 

复制代码 
注意到现在的while循环(自旋锁)也考虑到了已锁住该Lock实例的线程。如果当前的锁对象没有被加锁(isLocked = false),或者当前调用线程已经对该Lock实例加了锁,那么while循环就不会被执行,调用lock()的线程就可以退出该方法(译者注:“被允许退出该方法”在当前语义下就是指不会调用wait()而导致阻塞)。 
除此之外,我们需要记录同一个线程重复对一个锁对象加锁的次数。否则,一次unblock()调用就会解除整个锁,即使当前锁已经被加锁过多次。在unlock()调用没有达到对应lock()调用的次数之前,我们不希望锁被解除。 
现在这个Lock类就是可重入的了。 
锁的公平性 
Java的synchronized块并不保证尝试进入它们的线程的顺序。因此,如果多个线程不断竞争访问相同的synchronized同步块,就存在一种风险,其中一个或多个线程永远也得不到访问权 —— 也就是说访问权总是分配给了其它线程。这种情况被称作线程饥饿。为了避免这种问题,锁需要实现公平性。本文所展现的锁在内部是用synchronized同步块实现的,因此它们也不保证公平性。饥饿和公平中有更多关于该内容的讨论。 
在finally语句中调用unlock() 
如果用Lock来保护临界区,并且临界区有可能会抛出异常,那么在finally语句中调用unlock()就显得非常重要了。这样可以保证这个锁对象可以被解锁以便其它线程能继续对其加锁。以下是一个示例: 
lock.lock(); 
try{ 
    //do critical section code, 
    //which may throw exception 
} finally { 
    lock.unlock(); 

复制代码 
这个简单的结构可以保证当临界区抛出异常时Lock对象可以被解锁。如果不是在finally语句中调用的unlock(),当临界区抛出异常时,Lock对象将永远停留在被锁住的状态,这会导致其它所有在该Lock对象上调用lock()的线程一直阻塞

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