16.2 显式锁

发表于 2021-12-07 更新于 2021-12-08 分类于 9 Java编程的逻辑， 5第五部分并发，第16章并发包的基石 Waline：本文字数： 11k 阅读时长 ≈ 10 分钟

16.2 显式锁

15.2节介绍了利用synchronized实现锁，我们提到了synchronized的一些局限性，本节探讨Java并发包中的显式锁，它可以解决synchronized的限制。

Java并发包中的显式锁接口和类位于包java.util.concurrent.locks下，主要接口和类有：

锁接口Lock，主要实现类是ReentrantLock；
读写锁接口ReadWriteLock，主要实现类是ReentrantReadWriteLock。

本节主要介绍接口Lock和实现类ReentrantLock，关于读写锁，我们后续章节介绍。

16.2.1 接口Lock

显式锁接口Lock的定义为：

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

下面解释一下。

1）lock()/unlock()：就是普通的获取锁和释放锁方法，lock()会阻塞直到成功。
2）lockInterruptibly()：与lock()的不同是，它可以响应中断，如果被其他线程中断了，则抛出InterruptedException。
3）tryLock()：只是尝试获取锁，立即返回，不阻塞，如果获取成功，返回true，否则返回false。
4）tryLock(long time, TimeUnit unit)：先尝试获取锁，如果能成功则立即返回true，否则阻塞等待，但等待的最长时间由指定的参数设置，在等待的同时响应中断，如果发生了中断，抛出InterruptedException，如果在等待的时间内获得了锁，返回true，否则返回false。
5）newCondition：新建一个条件，一个Lock可以关联多个条件，关于条件，我们留待16.3节介绍。

可以看出，相比synchronized，显式锁支持以非阻塞方式获取锁、可以响应中断、可以限时，这使得它灵活得多。

16.2.2 可重入锁ReentrantLock

下面，先介绍ReentrantLock的基本用法，然后重点介绍如何使用tryLock避免死锁。

1．基本用法

Lock接口的主要实现类是ReentrantLock，它的基本用法lock/unlock实现了与syn-chronized一样的语义，包括：

可重入，一个线程在持有一个锁的前提下，可以继续获得该锁；
可以解决竞态条件问题；
可以保证内存可见性。

ReentrantLock有两个构造方法：

1 2	public ReentrantLock() public ReentrantLock(boolean fair)

参数fair表示是否保证公平，不指定的情况下，默认为false，表示不保证公平。所谓公平是指，等待时间最长的线程优先获得锁。保证公平会影响性能，一般也不需要，所以默认不保证，synchronized锁也是不保证公平的，16.2.3节还会再分析实现细节。

使用显式锁，一定要记得调用unlock。一般而言，应该将lock之后的代码包装到try语句内，在finally语句内释放锁。比如，使用ReentrantLock实现Counter，代码可以为：

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private volatile int count;
    public void incr() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

2．使用tryLock避免死锁

使用tryLock()，可以避免死锁。在持有一个锁获取另一个锁而获取不到的时候，可以释放已持有的锁，给其他线程获取锁的机会，然后重试获取所有锁。

我们来看个例子，银行账户之间转账，用类Account表示账户，如代码清单16-3所示。

代码清单16-3 表示账户的类Account

public class Account {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private volatile double money;
    public Account(double initialMoney) {
        this.money = initialMoney;
    }
    public void add(double money) {
        lock.lock();
        try {
            this.money += money;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void reduce(double money) {
        lock.lock();
        try {
            this.money -= money;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public double getMoney() {
        return money;
    }
    void lock() {
        lock.lock();
    }
    void unlock() {
        lock.unlock();
    }
    boolean tryLock() {
        return lock.tryLock();
    }
}

Account里的money表示当前余额，add/reduce用于修改余额。在账户之间转账，需要两个账户都锁定，如果不使用tryLock，而直接使用lock，则代码如代码清单27-6所示。

代码清单16-4 转账的错误写法

public class AccountMgr {
    public static class NoEnoughMoneyException extends Exception {}
    public static void transfer(Account from, Account to, double money)
            throws NoEnoughMoneyException {
        from.lock();
        try {
            to.lock();
            try {
                if(from.getMoney() >= money) {
                    from.reduce(money);
                    to.add(money);
                } else {
                    throw new NoEnoughMoneyException();
                }
            } finally {
                to.unlock();
            }
        } finally {
            from.unlock();
        }
    }
}

但这么写是有问题的，如果两个账户都同时给对方转账，都先获取了第一个锁，则会发生死锁。我们写段代码来模拟这个过程，如代码清单16-5所示。

代码清单16-5 模拟账户转账的死锁过程

public static void simulateDeadLock() {
    final int accountNum = 10;
    final Account[] accounts = new Account[accountNum];
      final Random rnd = new Random();
      for(int i = 0; i < accountNum; i++) {
            accounts[i] = new Account(rnd.nextInt(10000));
      }
      int threadNum = 100;
      Thread[] threads = new Thread[threadNum];
      for(int i = 0; i < threadNum; i++) {
            threads[i] = new Thread() {
                public void run() {
                    int loopNum = 100;
                    for(int k = 0; k < loopNum; k++) {
                        int i = rnd.nextInt(accountNum);
                        int j = rnd.nextInt(accountNum);
                        int money = rnd.nextInt(10);
                        if(i ! = j) {
                            try {
                                transfer(accounts[i], accounts[j], money);
                            } catch (NoEnoughMoneyException e) {
                            }
                        }
                    }
                }
            };
        threads[i].start();
    }
}

以上代码创建了10个账户，100个线程，每个线程执行100次循环，在每次循环中，随机挑选两个账户进行转账。在笔者的计算机中，每次执行该段代码都会发生死锁。读者可以更改这些数值进行试验。

我们使用tryLock来进行修改，先定义一个tryTransfer方法，如代码清单16-6所示。

代码清单16-6 使用tryLock尝试转账

public static boolean tryTransfer(Account from, Account to, double money)
        throws NoEnoughMoneyException {
    if(from.tryLock()) {
        try {
            if(to.tryLock()) {
                try {
                    if(from.getMoney() >= money) {
                            from.reduce(money);
                            to.add(money);
                    } else {
                            throw new NoEnoughMoneyException();
                    }
                    return true;
                } finally {
                    to.unlock();
                }
            }
        } finally {
            from.unlock();
        }
    }
    return false;
}

如果两个锁都能够获得，且转账成功，则返回true，否则返回false。不管怎样，结束都会释放所有锁。transfer方法可以循环调用该方法以避免死锁，代码可以为：

public static void transfer(Account from, Account to, double money)
        throws NoEnoughMoneyException {
    boolean success = false;
    do {
        success = tryTransfer(from, to, money);
        if(! success) {
            Thread.yield();
        }
    } while (! success);
}

除了实现Lock接口中的方法，ReentrantLock还有一些其他方法，通过它们，可以获取关于锁的一些信息，这些信息可以用于监控和调试目的，具体可参看API文档，就不介绍了。

16.2.3 ReentrantLock的实现原理

ReentrantLock的用法是比较简单的，它是怎么实现的呢？在最底层，它依赖于16.1节介绍的CAS方法，另外，它依赖于类LockSupport中的一些方法。我们先介绍Lock-Support。

1. LockSupport

类LockSupport也位于包java.util.concurrent.locks下，它的基本方法有：

public static void park()
public static void parkNanos(long nanos)
public static void parkUntil(long deadline)
public static void unpark(Thread thread)

park使得当前线程放弃CPU，进入等待状态（WAITING），操作系统不再对它进行调度，什么时候再调度呢？有其他线程对它调用了unpark, unpark使参数指定的线程恢复可运行状态。我们看个例子：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread (){
        public void run(){
            LockSupport.park();     //放弃CPU
            System.out.println("exit");
        }
    };
    t.start();     //启动子线程
    Thread.sleep(1000);     //睡眠1秒确保子线程先运行
    LockSupport.unpark(t);
}

上述例子中，主线程启动子线程t，线程t启动后调用park，放弃CPU，主线程睡眠1秒以确保子线程已执行LockSupport.park()，调用unpark，线程t恢复运行，输出exit。

park不同于Thread.yield(), yield只是告诉操作系统可以先让其他线程运行，但自己依然是可运行状态，而park会放弃调度资格，使线程进入WAITING状态。

需要说明的是，park是响应中断的，当有中断发生时，park会返回，线程的中断状态会被设置。另外还需要说明，park可能会无缘无故地返回，程序应该重新检查park等待的条件是否满足。

park有两个变体：

parkNanos：可以指定等待的最长时间，参数是相对于当前时间的纳秒数；
parkUntil：可以指定最长等到什么时候，参数是绝对时间，是相对于纪元时的毫秒数。

当等待超时的时候，它们也会返回。

这些park方法还有一些变体，可以指定一个对象，表示是由于该对象而进行等待的，以便于调试，通常传递的值是this，比如：

1	public static void park(Object blocker)

LockSupport有一个方法，可以返回一个线程的blocker对象：

1	public static Object getBlocker(Thread t)

这些park/unpark方法是怎么实现的呢？与CAS方法一样，它们也调用了Unsafe类中的对应方法。Unsafe类最终调用了操作系统的API，从程序员的角度，我们可以认为Lock-Support中的这些方法就是基本操作。

2. AQS

利用CAS和LockSupport提供的基本方法，就可以用来实现ReentrantLock了。但Java中还有很多其他并发工具，如ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch，它们的实现有很多类似的地方，为了复用代码，Java提供了一个抽象类AbstractQueued-Synchronizer，简称AQS，它简化了并发工具的实现。AQS的整体实现比较复杂，我们主要以ReentrantLock的使用为例进行简要介绍。

AQS封装了一个状态，给子类提供了查询和设置状态的方法：

private volatile int state;
protected final int getState()
protected final void setState(int newState)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update)

用于实现锁时，AQS可以保存锁的当前持有线程，提供了方法进行查询和设置：

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private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t)
protected final Thread getExclusiveOwnerThread()

AQS内部维护了一个等待队列，借助CAS方法实现了无阻塞算法进行更新。

下面，我们以ReentrantLock的使用为例简要介绍AQS的原理。

3. ReentrantLock

ReentrantLock内部使用AQS，有三个内部类：

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abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
static final class NonfairSync extends Sync
static final class FairSync extends Sync

Sync是抽象类，NonfairSync是fair为false时使用的类，FairSync是fire为true时使用的类。ReentrantLock内部有一个Sync成员：

1	private final Sync sync;

在构造方法中sync被赋值，比如：

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public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

我们来看ReentrantLock中的基本方法lock/unlock的实现。先看lock方法，代码为：

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public void lock() {
    sync.lock();
}

sync默认类型是NonfairSync, NonfairSync的lock代码为：

final void lock() {
    if(compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

ReentrantLock使用state表示是否被锁和持有数量，如果当前未被锁定，则立即获得锁，否则调用acquire(1)获得锁。acquire是AQS中的方法，代码为：

public final void acquire(int arg) {
    if(! tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

它调用tryAcquire获取锁，tryAcquire必须被子类重写。NonfairSync的实现为：

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protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

nonfairTryAcquire是sync中实现的，代码为：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if(c == 0) {
        if(compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if(current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if(nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

这段代码容易理解，如果未被锁定，则使用CAS进行锁定；如果已被当前线程锁定，则增加锁定次数。如果tryAcquire返回false，则AQS会调用：

1	acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

其中，addWaiter会新建一个节点Node，代表当前线程，然后加入内部的等待队列中，限于篇幅，具体代码就不列出来了。放入等待队列后，调用acquireQueued尝试获得锁，代码为：

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for(; ; ) {
            final Node p = node.predecessor();
            if(p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if(failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

主体是一个死循环，在每次循环中，首先检查当前节点是不是第一个等待的节点，如果是且能获得到锁，则将当前节点从等待队列中移除并返回，否则最终调用LockSupport. park放弃CPU，进入等待，被唤醒后，检查是否发生了中断，记录中断标志，在最终方法返回时返回中断标志。如果发生过中断，acquire方法最终会调用selfInterrupt方法设置中断标志位，其代码为：

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private static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

以上就是lock方法的基本过程，能获得锁就立即获得，否则加入等待队列，被唤醒后检查自己是否是第一个等待的线程，如果是且能获得锁，则返回，否则继续等待。这个过程中如果发生了中断，lock会记录中断标志位，但不会提前返回或抛出异常。

ReentrantLock的unlock方法的代码为：

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public void unlock() {
    sync.release(1);
}

release是AQS中定义的方法，代码为：

public final boolean release(int arg) {
    if(tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if(h ! = null && h.waitStatus ! = 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

tryRelease方法会修改状态释放锁，unparkSuccessor会调用LockSupport.unpark将第一个等待的线程唤醒，具体代码就不列举了。

FairSync和NonfairSync的主要区别是：在获取锁时，即在tryAcquire方法中，如果当前未被锁定，即c==0, FairSync多了一个检查，如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if(c == 0) {
        if(! hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    ..

这个检查是指，只有不存在其他等待时间更长的线程，它才会尝试获取锁。

这样保证公平不是很好吗？为什么默认不保证公平呢？保证公平整体性能比较低，低的原因不是这个检查慢，而是会让活跃线程得不到锁，进入等待状态，引起频繁上下文切换，降低了整体的效率，通常情况下，谁先运行关系不大，而且长时间运行，从统计角度而言，虽然不保证公平，也基本是公平的。需要说明是，即使fair参数为true， ReentrantLock中不带参数的tryLock方法也是不保证公平的，它不会检查是否有其他等待时间更长的线程。

16.2.4 对比ReentrantLock和synchronized

相比synchronized, ReentrantLock可以实现与synchronized相同的语义，而且支持以非阻塞方式获取锁，可以响应中断，可以限时，更为灵活。不过，synchronized的使用更为简单，写的代码更少，也更不容易出错。

synchronized代表一种声明式编程思维，程序员更多的是表达一种同步声明，由Java系统负责具体实现，程序员不知道其实现细节；显式锁代表一种命令式编程思维，程序员实现所有细节。

声明式编程的好处除了简单，还在于性能，在较新版本的JVM上，ReentrantLock和synchronized的性能是接近的，但Java编译器和虚拟机可以不断优化synchronized的实现，比如自动分析synchronized的使用，对于没有锁竞争的场景，自动省略对锁获取/释放的调用。

简单总结下，能用synchronized就用synchronized，不满足要求时再考虑Reentrant-Lock。