Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition
一、ReentrantLock 類
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1.1 什么是reentrantlock
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java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是鎖定的一個抽象，它允許把鎖定的實現作為 Java 類，而不是作為語言的特性來實現。這就為 Lock 的多種實現留下了空間，各種實現可能有不同的調度算法、性能特性或者鎖定語義。 ReentrantLock 類實現了 Lock ，它擁有與 synchronized 相同的并發性和內存語義，但是添加了類似鎖投票、定時鎖等候和可中斷鎖等候的一些特性。此外，它還提供了在激烈爭用情況下更佳的性能。（換句話說，當許多線程都想訪問共享資源時，JVM 可以花更少的時候來調度線程，把更多時間用在執行線程上。）
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reentrant 鎖意味著什么呢？簡單來說，它有一個與鎖相關的獲取計數器，如果擁有鎖的某個線程再次得到鎖，那么獲取計數器就加1，然后鎖需要被釋放兩次才能獲得真正釋放。這模仿了 synchronized 的語義；如果線程進入由線程已經擁有的監控器保護的 synchronized 塊，就允許線程繼續進行，當線程退出第二個（或者后續） synchronized 塊的時候，不釋放鎖，只有線程退出它進入的監控器保護的第一個 synchronized 塊時，才釋放鎖。
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1.2?ReentrantLock與synchronized的比較
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相同：ReentrantLock提供了synchronized類似的功能和內存語義。
不同：
（1）ReentrantLock功能性方面更全面，比如時間鎖等候，可中斷鎖等候，鎖投票等，因此更有擴展性。在多個條件變量和高度競爭鎖的地方，用ReentrantLock更合適，ReentrantLock還提供了Condition，對線程的等待和喚醒等操作更加靈活，一個ReentrantLock可以有多個Condition實例，所以更有擴展性。
（2）ReentrantLock 的性能比synchronized會好點。
（3）ReentrantLock提供了可輪詢的鎖請求，他可以嘗試的去取得鎖，如果取得成功則繼續處理，取得不成功，可以等下次運行的時候處理，所以不容易產生死鎖，而synchronized則一旦進入鎖請求要么成功，要么一直阻塞，所以更容易產生死鎖。
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1.3?ReentrantLock擴展的功能
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1.3.1 實現可輪詢的鎖請求?
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在內部鎖中，死鎖是致命的——唯一的恢復方法是重新啟動程序，唯一的預防方法是在構建程序時不要出錯。而可輪詢的鎖獲取模式具有更完善的錯誤恢復機制，可以規避死鎖的發生。?
如果你不能獲得所有需要的鎖，那么使用可輪詢的獲取方式使你能夠重新拿到控制權，它會釋放你已經獲得的這些鎖，然后再重新嘗試。可輪詢的鎖獲取模式，由tryLock()方法實現。此方法僅在調用時鎖為空閑狀態才獲取該鎖。如果鎖可用，則獲取鎖，并立即返回值true。如果鎖不可用，則此方法將立即返回值false。此方法的典型使用語句如下：?
Lock lock = ...;
if (lock.tryLock()) {
try {
// manipulate protected state
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
// perform alternative actions
}
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1.3.2 實現可定時的鎖請求?
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當使用內部鎖時，一旦開始請求，鎖就不能停止了，所以內部鎖給實現具有時限的活動帶來了風險。為了解決這一問題，可以使用定時鎖。當具有時限的活?
動調用了阻塞方法，定時鎖能夠在時間預算內設定相應的超時。如果活動在期待的時間內沒能獲得結果，定時鎖能使程序提前返回。可定時的鎖獲取模式，由tryLock(long, TimeUnit)方法實現。?
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1.3.3 實現可中斷的鎖獲取請求?
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可中斷的鎖獲取操作允許在可取消的活動中使用。lockInterruptibly()方法能夠使你獲得鎖的時候響應中斷。
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1.4 ReentrantLock不好與需要注意的地方
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（1） lock 必須在 finally 塊中釋放。否則，如果受保護的代碼將拋出異常，鎖就有可能永遠得不到釋放！這一點區別看起來可能沒什么，但是實際上，它極為重要。忘記在 finally 塊中釋放鎖，可能會在程序中留下一個定時炸彈，當有一天炸彈爆炸時，您要花費很大力氣才有找到源頭在哪。而使用同步，JVM 將確保鎖會獲得自動釋放
（2） 當 JVM 用 synchronized 管理鎖定請求和釋放時，JVM 在生成線程轉儲時能夠包括鎖定信息。這些對調試非常有價值，因為它們能標識死鎖或者其他異常行為的來源。 Lock 類只是普通的類，JVM 不知道具體哪個線程擁有 Lock 對象。
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二、條件變量Condition
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條件變量很大一個程度上是為了解決Object.wait/notify/notifyAll難以使用的問題。
條件（也稱為條件隊列?或條件變量）為線程提供了一個含義，以便在某個狀態條件現在可能為 true 的另一個線程通知它之前，一直掛起該線程（即讓其“等待”）。因為訪問此共享狀態信息發生在不同的線程中，所以它必須受保護，因此要將某種形式的鎖與該條件相關聯。等待提供一個條件的主要屬性是：以原子方式?釋放相關的鎖，并掛起當前線程，就像?Object.wait?做的那樣。
上述API說明表明條件變量需要與鎖綁定，而且多個Condition需要綁定到同一鎖上。前面的Lock中提到，獲取一個條件變量的方法是Lock.newCondition()。
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void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
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以上是Condition接口定義的方法，await*對應于Object.wait，signal對應于Object.notify，signalAll對應于Object.notifyAll。特別說明的是Condition的接口改變名稱就是為了避免與Object中的wait/notify/notifyAll的語義和使用上混淆，因為Condition同樣有wait/notify/notifyAll方法。
每一個Lock可以有任意數據的Condition對象，Condition是與Lock綁定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平鎖，線程為按照FIFO的順序從Condition.await中釋放，如果是非公平鎖，那么后續的鎖競爭就不保證FIFO順序了。
一個使用Condition實現生產者消費者的模型例子如下。
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import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProductQueue<T> {
private final T[] items;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notFull = lock.newCondition();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
//
private int head, tail, count;
public ProductQueue(int maxSize) {
items = (T[]) new Object[maxSize];
}
public ProductQueue() {
this(10);
}
public void put(T t) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == getCapacity()) {
notFull.await();
}
items[tail] = t;
if (++tail == getCapacity()) {
tail = 0;
}
++count;
notEmpty.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public T take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
notEmpty.await();
}
T ret = items[head];
items[head] = null;//GC
//
if (++head == getCapacity()) {
head = 0;
}
--count;
notFull.signalAll();
return ret;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCapacity() {
return items.length;
}
public int size() {
lock.lock();
try {
return count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
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在這個例子中消費take()需要 隊列不為空，如果為空就掛起（await()），直到收到notEmpty的信號；生產put()需要隊列不滿，如果滿了就掛起（await()），直到收到notFull的信號。
可能有人會問題，如果一個線程lock()對象后被掛起還沒有unlock，那么另外一個線程就拿不到鎖了（lock()操作會掛起），那么就無法通知(notify)前一個線程，這樣豈不是“死鎖”了？
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2.1 await* 操作
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上一節中說過多次ReentrantLock是獨占鎖，一個線程拿到鎖后如果不釋放，那么另外一個線程肯定是拿不到鎖，所以在lock.lock()和lock.unlock()之間可能有一次釋放鎖的操作（同樣也必然還有一次獲取鎖的操作）。我們再回頭看代碼，不管take()還是put()，在進入lock.lock()后唯一可能釋放鎖的操作就是await()了。也就是說await()操作實際上就是釋放鎖，然后掛起線程，一旦條件滿足就被喚醒，再次獲取鎖！
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public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
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上面是await()的代碼片段。上一節中說過,AQS在獲取鎖的時候需要有一個CHL的FIFO隊列，所以對于一個Condition.await()而言，如果釋放了鎖，要想再一次獲取鎖那么就需要進入隊列，等待被通知獲取鎖。完整的await()操作是安裝如下步驟進行的：
這里再回頭介紹Condition的數據結構。我們知道一個Condition可以在多個地方被await*()，那么就需要一個FIFO的結構將這些Condition串聯起來，然后根據需要喚醒一個或者多個（通常是所有）。所以在Condition內部就需要一個FIFO的隊列。
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private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
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上面的兩個節點就是描述一個FIFO的隊列。我們再結合前面提到的節點（Node）數據結構。我們就發現Node.nextWaiter就派上用場了！nextWaiter就是將一系列的Condition.await*串聯起來組成一個FIFO的隊列。
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2.2 signal/signalAll 操作
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await*()清楚了，現在再來看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要將Condition.await*()中FIFO隊列中第一個Node喚醒（或者全部Node）喚醒。盡管所有Node可能都被喚醒，但是要知道的是仍然只有一個線程能夠拿到鎖，其它沒有拿到鎖的線程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。
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private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}
private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
}
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上面的代碼很容易看出來，signal就是喚醒Condition隊列中的第一個非CANCELLED節點線程，而signalAll就是喚醒所有非CANCELLED節點線程。當然了遇到CANCELLED線程就需要將其從FIFO隊列中剔除。
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final boolean transferForSignal(Node node) {
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
Node p = enq(node);
int c = p.waitStatus;
if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
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上面就是喚醒一個await*()線程的過程，根據前面的小節介紹的，如果要unpark線程，并使線程拿到鎖，那么就需要線程節點進入AQS的隊列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前調用了enq(node)操作，將當前節點加入到AQS隊列。
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參考：
《深入淺出 Java Concurrency》—鎖機制(一)Lock與ReentrantLock
http://blog.csdn.net/fg2006/article/details/6397894
Java多線程基礎總結七：ReentrantLock(2)
http://www.bianceng.cn/Programming/Java/201206/34155_2.htm
再談重入鎖--ReentrantLock
http://tenyears.iteye.com/blog/48750
深入淺出 Java Concurrency (9): 鎖機制 part 4
http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/08/325540.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程（九）之ReentrantLock与Condition的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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