并发王者课 - 铂金 1:探本溯源 - 为何说 Lock 接口是 Java 中锁的基础
欢迎来到《并发王者课》,本文是该系列文章中的第 14 篇。
在黄金系列中,我们介绍了并发中一些问题,比如死锁、活锁、线程饥饿等问题。在并发编程中,这些问题无疑都是需要解决的。所以,在铂金系列文章中,我们会从并发中的问题出发,探索 Java 所提供的锁的能力以及它们是如何解决这些问题的。
作为铂金系列文章的第一篇,我们将从 Lock 接口开始介绍,因为它是 Java 中锁的基础,也是并发能力的基础。
一、理解 Java 中锁的基础:Lock 接口
在青铜系列文章中,我们介绍了通过synchronized
关键字实现对方法和代码块加锁的用法。然而,虽然synchronized
非常好用、易用,但是它的灵活度却十分有限,不能灵活地控制加锁和释放锁的时机。所以,为了更灵活地使用锁,并满足更多的场景需要,就需要我们能够自主地定义锁。于是,就有了 Lock 接口。
理解 Lock 最直观的方式,莫过于直接在 JDK 所提供的并发工具类中找到它,如下图所示:
可以看到,Lock 接口提供了一些能力 API,并有一些具体的实现,如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 等。
1. Lock 的五个核心能力 API
void lock()
:获取锁。如果当前锁不可用,则会被阻塞直至锁释放;void lockInterruptibly()
:获取锁并允许被中断。这个方法和lock()
类似,不同的是,它允许被中断并抛出中断异常。boolean tryLock()
:尝试获取锁。会立即返回结果,而不会被阻塞。boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit)
:尝试获取锁并等待一段时间。这个方法和tryLock()
,但是它会根据参数等待–会,如果在规定的时间内未能获取到锁就会放弃;void unlock()
:释放锁。
2. Lock 的常见实现
在 Java 并发工具类中,Lock 接口有一些实现,比如:
ReentrantLock:可重入锁;
ReentrantReadWriteLock:可重入读写锁;
除了列举的两个实现外,还有一些其他实现类。对于这些实现,暂且不必详细了解,后面会详细介绍。在目前阶段,你需要理解的是 Lock 是它们的基础。
二、自定义 Lock
接下来,我们基于前面的示例代码,看看如何将synchronized
版本的锁用 Lock 来实现。
1. 实现一把简单的锁
创建类 WildMonsterLock 并实现 Lock 接口,WildMonsterLock 将是取代synchronized
的关键:
在实现 Lock 接口时,你需要实现它上述的所有方法。不过,为了简化代码方便展示,我们移除了 WildMonsterLock 类中的tryLock
等方法。
对于wait
和notify
方法的时候,如果你不熟悉的话,可以查看青铜系列的文章。这里需要提醒的是,notify
在使用时务必要和wait
是同一个监视器。
基于刚才定义的 WildMonsterLock,创建 WildMonster 类,并在方法 killWildMonster 中使用 WildMonsterLock 对象,从而取代 synchronized.
输出结果如下:
从结果中可以看到:只有哪吒一人斩获了野怪,其他几个英雄均以失败告终,结果符合预期。这说明,WildMonsterLock 达到了和synchronized
一致的效果。
不过,这里有细节需要注意。在使用synchronized
时我们无需关心锁的释放,JVM 会帮助我们自动完成。然而,在使用自定义的锁时,一定要使用try...finally
来确保锁最终一定会被释放,否则将造成后续线程被阻塞的严重后果。
2. 实现可重入的锁
在synchronized
中,锁是可以重入的。所谓锁的可重入,指的是锁可以被线程重复或递归调用。比如,加锁对象中存在多个加锁方法时,当线程在获取到锁进入其中任一方法后,线程应该可以同时进入其他的加锁方法,而不会出现被阻塞的情况。当然,前提条件是这个加锁的方法用的是同一个对象的锁(监视器)。
在下面这段代码中,方法 A 和 B 都是同步方法,并且 A 中调用 B. 那么,线程在调用 A 时已经获得了当前对象的锁,那么线程在 A 中调用 B 时可以直接调用,这就是锁的可重入性。
所以,为了让我们自定义的 WildMonsterLock 也支持可重入,我们需要对代码进行一点改动。
在新的 WildMonsterLock 中,我们增加了this.lockedBy
和lockedCount
字段,并在加锁和解锁时增加对线程的判断。在加锁时,如果当前线程已经获得锁,那么将不必进入等待。而在解锁时,只有当前线程能解锁。
lockedCount
字段则是为了保证解锁的次数和加锁的次数是匹配的,比如加锁了 3 次,那么相应的也要 3 次解锁。
3. 关注锁的公平性
在黄金系列文章中,我们提到了线程在竞争中可能被饿死,因为竞争并不是公平的。所以,我们在自定义锁的时候,也应当考虑锁的公平性。
三、小结
以上就是关于 Lock 的全部内容。在本文中,我们介绍了 Lock 是 Java 中各类锁的基础。它是一个接口,提供了一些能力 API,并有着完整的实现。并且,我们也可以根据需要自定义实现锁的逻辑。所以,在学习 Java 中各种锁的时候,最好先从 Lock 接口开始。同时,在替代 synchronized 的过程中,我们也能感受到 Lock 有一些 synchronized 所不具备的优势:
synchronized 用于方法体或代码块,而 Lock 可以灵活使用,甚至可以跨越方法;
synchronized 没有公平性,任何线程都可以获取并长期持有,从而可能饿死其他线程。而基于 Lock 接口,我们可以实现公平锁,从而避免一些线程活跃性问题;
synchronized 被阻塞时只有等待,而 Lock 则提供了
tryLock
方法,可以快速试错,并可以设定时间限制,使用时更加灵活;synchronized 不可以被中断,而 Lock 提供了
lockInterruptibly
方法,可以实现中断。
另外,在自定义锁的时候,要考虑锁的公平性。而在使用锁的时候,则需要考虑锁的安全释放。
夫子的试炼
基于 Lock 接口,自定义实现一把锁。
延伸阅读与参考资料
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