Java Lock接口实现原理及实例解析

1、概述

JUC中locks包下常用的类与接口图如下：

图中，Lock和ReadWriteLock是顶层锁的接口，Lock代表实现类是ReentrantLock（可重入锁），ReadWriteLock（读写锁）的代表实现类是ReentrantReadWriteLock。

ReadWriteLock 接口以类似方式定义了读锁而写锁。此包只提供了一个实现，即 ReentrantReadWriteLock。

Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似，但提供了更强大的功能。需要特别指出的是，单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。

2、lock与synchronized比较

synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？

1、Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；

2、Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized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，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

synchronized 的局限性与Lock的优点　

如果一个代码块被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至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：

1：占有锁的线程执行完了该代码块，然后释放对锁的占有；

2：占有锁线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁；

3：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。

下列三种情况：　

1 、在使用synchronized关键字的情形下，假如占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，那么其他线程就只能一直等待，别无他法。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、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、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。

上面提到的三种情形，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，Lock 实现提供了比 synchronized 关键字更广泛的锁操作，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。

3、Lock接口实现类的使用

// 获取锁
void lock()
// 如果当前线程未被中断，则获取锁，可以响应中断
void lockInterruptibly()
// 返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例
Condition newCondition()
// 仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁，可以响应中断
boolean tryLock()
// 如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
// 释放锁
void unlock()

3.1、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
}

3.2、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。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
}

3.3、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。
范例，运行起来后，Thread2能够被正确中断。

public class Test {
  private Lock lock = new ReentrantLock();
  public static void main(String[] args) {
    Test test = new Test();
    MyThread thread1 = new MyThread(test);
    MyThread thread2 = new MyThread(test);
    thread1.start();
    thread2.start();

    try {
      Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    thread2.interrupt();
  } 

  public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
    lock.lockInterruptibly();  //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
    try {
      System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
      long startTime = System.currentTimeMillis();
      for(  ;   ;) {
        if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
          break;
        //插入数据
      }
    }
    finally {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
      lock.unlock();
      System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
    }
  }
}
class MyThread extends Thread {
  private Test test = null;
  public MyThread(Test test) {
    this.test = test;
  }
  @Override
  public void run() {

    try {
      test.insert(Thread.currentThread());
    } catch (InterruptedException e) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
    }
  }
}

3.4 具体的锁实现

Lock的实现类

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。

ReadWriteLock锁：接口只有两个方法：

//返回用于读取操作的锁
Lock readLock()
//返回用于写入操作的锁
Lock writeLock()

ReadWriteLock维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。范例

class ReadWriteLockQueue {
  //共享数据，只能有一个线程 写数据，但可以多个线程读数据
  private Object data = null;
  private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
  //读数据
  public void get() {
    try {
      rwl.readLock().lock();//上读锁，其他线程只能读。
      System.out.print(Thread.currentThread().getName() + "读取 data！");
      Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取到的数据："+ data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      rwl.readLock().unlock();//释放读锁
    }
  }
  //写数据
  public void put(Object data) {
    try {
      rwl.writeLock().lock();//加上写锁，不允许其他线程 读写
      System.out.print(Thread.currentThread().getName() + "写入数据,");
      Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
      this.data = data;
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经写好数据" + data);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      rwl.writeLock().unlock();//释放锁
    }
  }
}
public class TestReentrantReadWriteLock {
  public static void main(String[] args) {
    final ReadWriteLockQueue readWriteLockQueue = new ReadWriteLockQueue();
    for (int i = 0; i < 2 ; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          while (true) {
            readWriteLockQueue.put(new Random().nextInt(10000));
          }
        }
      },"写线程").start();
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          while(true) {
            readWriteLockQueue.get();
          }
        }
      },"读线程").start();
    }
  }
}

4、锁的相关概念

• 可重入锁 ： 如果锁具备可重入性，则称作为 可重入锁 。像 synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性在我看来实际上表明了 锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。
• 可中断锁：顾名思义，可中断锁就是可以响应中断的锁。在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。在前面演示tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。
• 公平锁：公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如，同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。而非公平锁则无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的，这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。而对于ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。
• 乐观锁：总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

锁主要存在四中状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

4.1、偏向锁

引入偏向锁的目的和引入轻量级锁的目的很像，他们都是为了没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。但是不同是：轻量级锁在无竞争的情况下使用 CAS （Compare and Swap）操作去代替使用互斥量。而偏向锁在无竞争的情况下会把整个同步都消除掉。

偏向锁的“偏”就是偏心的偏，它的意思是会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行中，该锁没有被其他线程获取，那么持有偏向锁的线程就不需要进行同步！关于偏向锁的原理可以查看《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》第二版的13章第三节锁优化。

但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

4.2、 轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)。轻量级锁不是为了代替重量级锁，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗，因为使用轻量级锁时，不需要申请互斥量。另外，轻量级锁的加锁和解锁都用到了CAS操作。 关于轻量级锁的加锁和解锁的原理可以查看

《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》第二版的13章第三节锁优化。
轻量级锁能够提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用 CAS 操作避免了使用互斥操作的开销。但如果存在锁竞争，除了互斥量开销外，还会额外发生CAS操作，因此在有锁竞争的情况下，轻量级锁比传统的重量级锁更慢！如果锁竞争激烈，那么轻量级将很快膨胀为重量级锁！

4.3、自旋锁和自适应自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。
互斥同步对性能最大的影响就是阻塞的实现，因为挂起线程/恢复线程的操作都需要转入内核态中完成（用户态转换到内核态会耗费时间）。

一般线程持有锁的时间都不是太长，所以仅仅为了这一点时间去挂起线程/恢复线程是得不偿失的。 所以，虚拟机的开发团队就这样去考虑：“我们能不能让后面来的请求获取锁的线程等待一会而不被挂起呢？看看持有锁的线程是否很快就会释放锁”。为了让一个线程等待，我们只需要让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就叫做自旋。
何谓自旋锁？它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

JDK1.6及1.6之后，自旋锁就改为默认开启的了。需要注意的是：自旋等待不能完全替代阻塞，因为它还是要占用处理器时间。如果锁被占用的时间短，那么效果当然就很好了！反之，相反！自旋等待的时间必须要有限度。如果自旋超过了限定次数任然没有获得锁，就应该挂起线程。自旋次数的默认值是10次，但是用户可以修改。
在 JDK1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应的自旋锁带来的改进就是：自旋的时间不在固定了，而是和前一次同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定，虚拟机变得越来越“聪明”了。

4.4、锁消除

锁消除理解起来很简单，它指的就是虚拟机即使编译器在运行时，如果检测到那些共享数据不可能存在竞争，那么就执行锁消除。锁消除可以节省毫无意义的请求锁的时间。

4.5、锁粗化

原则上在编写代码的时候，总是推荐将同步快的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待线程也能尽快拿到锁。

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