并发编程之Lock和Condition实现管程

2019-07-14 本文已影响0人语落心生

Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥
问题，Condition 用于解决同步问题。

在介绍 Lock 的使用之前，有个问题需要思考一下：
Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现，既然 Java 从语言层面已经实现了管
程了，那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢？

再造管程的理由

你也许曾经听到过很多这方面的传说，例如在 Java 的 1.5 版本中，synchronized 性能不如
SDK 里面的 Lock，但 1.6 版本之后，synchronized 做了很多优化，将性能追了上来，所以 1.6
之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。

在介绍死锁问题的时候，提出了一个破坏不可抢占条件方案，但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？有三种方案。

1. 能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
1. 支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
1. 非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。

实现的就是 Lock 接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的 API
void lockInterruptibly()
 throws InterruptedException;
// 支持超时的 API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
 throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的 API
boolean tryLock();

如何保证可见性

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是try{}finally{}，需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

一条 synchronized 相关的规则：synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？例如在下面的代码中，线程 T1 对 value 进行了 +=1 操作，那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗？

class X {
 private final Lock rtl =
、 new ReentrantLock();
 int value;
 public void addOne() {
 // 获取锁
 rtl.lock();
 try {
 value+=1;
 } finally {
 // 保证锁能释放
 rtl.unlock();
 }
 }
}

答案必须是肯定的。Java SDK 里面锁的实现非常复杂，这里我就不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则。Java SDK 里面的ReentrantLock，内部持有一个 volatile 的成员变量 state，获取锁的时候，会读写 state 的值；解锁的时候，也会读写 state 的值（简化后的代码如下面所示）。也就是说，在执行 value+=1之前，程序先读写了一次 volatile 变量 state，在执行 value+=1 之后，又读写了一次 volatile变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则：

1. 顺序性规则：对于线程 T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock()；
1. volatile 变量规则：由于 state = 1 会先读取 state，所以线程 T1 的 unlock() 操作
  Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作；
1. 传递性规则：线程 T2 的 lock() 操作 Happens-Before 线程 T1 的 value+=1 。

class SampleLock {
 volatile int state;
 // 加锁
 lock() {
 // 省略代码无数
 state = 1;
 }
 // 解锁
 unlock() {
 // 省略代码无数
 state = 0;
 }
}

什么是可重入锁

如果观察过BlockingQueue，会发现我们创建的锁的具体类名是 ReentrantLock，这个翻译过来叫可重入锁，这个概念前面我们一直没有介绍过。所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。

可重入函数怎么理解呢？所谓可重入函数，指的是多个线程可以同时调用该函数，每个线程都能得到正确结果；同时在一个线程内支持线程切换，无论被切换多少次，结果都是正确的。多线程可以同时执行，还支持线程切换，这意味着什么呢？线程安全啊。所以，可重入函数是线程安全的。

class X {
 private final Lock rtl =
、 new ReentrantLock();
 int value;
 public int get() {
 // 获取锁
 rtl.lock(); ②
 try {
 return value;
 } finally {
 // 保证锁能释放
 rtl.unlock();
 }
 }
 public void addOne() {
 // 获取锁
 rtl.lock();
 try {
 value = 1 + get(); ①
 } finally {
 // 保证锁能释放
 rtl.unlock();
 }
 }
}

公平锁与非公平锁

在使用 ReentrantLock 的时候，这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

// 无参构造函数：默认非公平锁
public ReentrantLock() {
 sync = new NonfairSync();
}
// 根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair){
 sync = fair ? new FairSync()
 : new NonfairSync();
}

比如入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

用锁的最佳实践

最值得推荐的是并发大师Doug Lea《Java 并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践，它们分别是：

1. 永远只在更新对象的成员变量时加锁
1. 永远只在访问可变的成员变量时加锁
1. 永远不在调用其他对象的方法时加锁

对于第三条规则，因为调用其他对象的方法，实在是太不安全了，也许“其他”方法里面有线程 sleep()的调用，也可能会有奇慢无比的 I/O 操作，这些都会严重影响性能。更可怕的是，“其他”类的方法可能也会加锁，然后双重加锁就可能导致死锁。

并发编程之Lock和Condition实现管程

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