并发中的Lock框架

一、引言

在上一篇文章中，对 synchronized 进行了介绍。 我们知道它是 Java 的关键字，属于 Java 的内置特性，是在 JVM 层面实现了对临界资源的同步互斥访问，但 synchronized 的粒度有些大，在处理实际问题时存在诸多局限性。比如：响应中断等。而下面要介绍的 Lock 提供了比 synchronized 更广泛的锁操作，它能以更优雅的方式处理线程同步问题。

下面以 synchronized 与 Lock 的对比作为切入点，对 Java 中的 Lock 框架进行了学习介绍，最后给出了锁的一些相关概念。

二、 synchronized 与 Lock 的对比

假设一个代码块被 synchronized 关键字修饰，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，直到占有锁的线程释放锁。事实上，占有锁的线程释放锁一般会是以下三种情况之一：

a.	占有锁的线程执行完了该代码块，然后释放对锁的占有；（正常释放锁）

b.	占有锁线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁；（异常释放锁）

c.	占有锁线程进入 WAITING 状态从而释放锁，例如在该线程中调用wait()方法等。（主动释放锁）

我们知道，synchronized 是 Java 语言的内置特性，它可以轻松实现对临界资源的同步互斥访问。那么，为什么还会出现 Lock 呢？下面我们试着考虑以下三种情况：

(1)、情况一：

在使用 synchronized 关键字的情形下，假设占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因被阻塞了（比如调用sleep()方法），但是又没有释放锁，那么其他线程就只能一直等待，这会极大影响程序执行效率。因此，就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间 (解决方案：tryLock(long time, TimeUnit unit)) 或者 能够响应中断 (解决方案：lockInterruptibly())），这种情况可以通过 Lock 解决。

(2)、情况二：

当多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作也会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是如果采用 synchronized 关键字实现同步读的话，就会导致一个问题，即当多个线程都只是进行读操作时，也只有一个线程在可以进行读操作，其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。因此，需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突。同样地，Lock也可以解决这种情况 (解决方案：ReentrantReadWriteLock) 。

(3)、情况三：

我们可以通过 Lock 得知线程有没有成功获取到锁 (解决方案：ReentrantLock)，但这个是 synchronized 无法办到的。

上面三种情形，我们都可以通过 Lock 来解决，但 synchronized 关键字却无能为力。事实上，Lock 是 java.util.concurrent.locks包 下的接口。 实现提供了比 synchronized 关键字 更灵活、更广泛、粒度更细 的锁操作，它能以更优雅的方式处理线程同步问题。也就是说，Lock 提供了比 synchronized 更多的功能。但是要注意以下几点：

1)、 synchronized 是 Java 的关键字，因此是 Java 的内置特性，是基于JVM层面实现的，其经过编译之后，会在同步块的前后分别
形成 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令；而 Lock 是一个Java接口，是基于JDK层面实现的，通过这个接口可以实现
同步访问；

2)、 采用 synchronized 方式不需要用户去手动释放锁，当 synchronized 方法或者 synchronized 代码块执行完之后，系统会自动
让线程释放对锁的占用；而 Lock 则必须要用户去手动释放锁 (发生异常时，不会自动释放锁)，如果没有主动释放锁，就有可能
导致死锁现象。

这是很好理解的。synchronized 方式是 Java 原生支持的，开发人员在使用它来解决并发问题时，一定会方便很多，在这里，开发人员就不需要手动获取锁和释放锁，这些操作均有 Java 自身自动完成；而Lock方式是JDK层面的提供给开发人员的接口，因此开发人员在使用它来解决并发问题时，需要手动获取锁和释放锁。

三、 java.util.concurrent.locks包下常用的类与接口

以下是 java.util.concurrent.locks包下主要常用的类与接口的关系：

1、Lock

通过查看 Lock 的源码可知，Lock 是一个接口：

	public interface Lock {
	    void lock();
	    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;  // 可以响应中断
	    boolean tryLock();
	    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;  // 可以响应中断
	    void unlock();
	    Condition newCondition();
	}

下面来逐个分析 Lock 接口中每个方法。lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly()都是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition() 返回 绑定到此 Lock 的新的 Condition 实例 ，用于线程间的协作。

(1)、 lock()

在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？首先，lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。在前面已经讲到，如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此，一般来说，使用Lock必须在try…catch…块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

	Lock lock = ...;
	lock.lock();
	try{
	    //处理任务
	}catch(Exception ex){
	
	}finally{
	    lock.unlock();   //释放锁
	}

(2)、 tryLock() & tryLock(long time, TimeUnit unit)

tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true；如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就是说，这个方法无论如何都会立即返回（在拿不到锁时不会一直在那等待）。

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false，同时可以响应中断（即不用等待需要访问的临界资源，立刻执行下面的代码）。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

一般情况下，通过tryLock()来获取锁时是这样使用的：

	Lock lock = ...;
	if(lock.tryLock()) {
	     try{
	         //处理任务
	     }catch(Exception ex){
	
	     }finally{
	         lock.unlock();   //释放锁
	     } 
	}else {
	    //如果不能获取锁，则直接做其他事情
	}

(3)、 lockInterruptibly()

lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程 正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。例如，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出 InterruptedException，但推荐使用后者，原因稍后阐述。因此，lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

	public void method() throws InterruptedException {
	    lock.lockInterruptibly();
	    try {  
	     //.....
	    }
	    finally {
	        lock.unlock();
	    }  
	}

注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。因此，当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，那么只有进行等待的情况下，才可以响应中断的。与 synchronized 相比，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

总结：在使用Lock时，无论以哪种方式获取锁，习惯上最好一律将获取锁的代码放到 try…catch…，因为我们一般将锁的unlock操作放到finally子句中，如果线程没有获取到锁，在执行finally子句时，就会执行unlock操作，从而抛出 IllegalMonitorStateException，因为该线程并未获得到锁却执行了解锁操作。

2、ReentrantLock

ReentrantLock，即可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些例子学习如何使用 ReentrantLock。

例 1 ： Lock 的正确使用

	public class Test {

	    private ArrayList arrayList = new ArrayList();
	
	    public static void main(String[] args) {
	        final Test test = new Test();
	
	        new Thread("A") {
	            public void run() {
	                test.insert(Thread.currentThread());
	            };
	        }.start();
	
	        new Thread("B") {
	            public void run() {
	                test.insert(Thread.currentThread());
	            };
	        }.start();
	    }
	
	    public void insert(Thread thread) {
	        Lock lock = new ReentrantLock();  // 注意这个地方:lock被声明为局部变量
	        lock.lock();
	        try {
	            System.out.println("线程" + thread.getName() + "得到了锁...");
	            for (int i = 0; i