Java并發程式設計(06)：Lock機制下API用法詳解

一、Lock體系結構

1、基礎接口簡介

Lock加鎖相關結構中涉及兩個使用廣泛的基礎API：ReentrantLock類和Condition接口，基本關系如下：

Lock接口

Java并發程式設計中資源加鎖的根接口之一，規定了資源鎖使用的幾個基礎方法。

ReentrantLock類

實作Lock接口的可重入鎖，即線程如果獲得目前執行個體的鎖，并進入任務方法，線上程沒有釋放鎖的狀态下，可以再次進入任務方法，特點：互斥排它性，即同一個時刻隻有一個線程進入任務。

Condition接口

Condition接口描述可能會與鎖有關聯的條件變量，提供了更強大的功能，例如線上程的等待/通知機制上，Conditon可以實作多路通知和選擇性通知。

2、使用案例

生産消費模式

寫線程向容器中添加資料，讀線程從容器擷取資料，如果容器為空時，讀線程等待。

public class LockAPI01 {

    private static Lock lock = new ReentrantLock() ;
    private static Condition condition1 = lock.newCondition() ;
    private static Condition condition2 = lock.newCondition() ;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<String> dataList = new ArrayList<>() ;
        ReadList readList = new ReadList(dataList);
        WriteList writeList = new WriteList(dataList);
        new Thread(readList).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        new Thread(writeList).start();
    }
    // 讀資料線程
    static class ReadList implements Runnable {
        private List<String> dataList ;
        public ReadList (List<String> dataList){
            this.dataList = dataList ;
        }
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                if (dataList.size() != 2){
                    System.out.println("Read wait...");
                    condition1.await();
                }
                System.out.println("ReadList WakeUp...");
                for (String element:dataList){
                    System.out.println("ReadList："+element);
                }
                condition2.signalAll();
            } catch (InterruptedException e){
                e.fillInStackTrace() ;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    // 寫資料線程
    static class WriteList implements Runnable {
        private List<String> dataList ;
        public WriteList (List<String> dataList){
            this.dataList = dataList ;
        }
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                dataList.add("Java") ;
                dataList.add("C++") ;
                condition1.signalAll();
                System.out.println("Write over...");
                condition2.await();
                System.out.println("Write WakeUp...");
            } catch (InterruptedException e){
                e.fillInStackTrace() ;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}           

這個生産消費模式和生活中的點餐場景極為類似，使用者下單，通知後廚烹饪，烹饪完成之後通知送餐。

順序執行模式

既然線程執行可以互相通知，那也可以基于該機制實作線程的順序執行，基本思路：在一個線程執行完畢後，基于條件喚醒下個線程。

public class LockAPI02 {
    public static void main(String[] args) {
        PrintInfo printInfo = new PrintInfo() ;
        ExecutorService service =  Executors.newFixedThreadPool(3);
        service.execute(new PrintA(printInfo));
        service.execute(new PrintB(printInfo));
        service.execute(new PrintC(printInfo));
    }
}
class PrintA implements Runnable {
    private PrintInfo printInfo ;
    public PrintA (PrintInfo printInfo){
        this.printInfo = printInfo ;
    }
    @Override
    public void run() {
        printInfo.printA ();
    }
}
class PrintB implements Runnable {
    private PrintInfo printInfo ;
    public PrintB (PrintInfo printInfo){
        this.printInfo = printInfo ;
    }
    @Override
    public void run() {
        printInfo.printB ();
    }
}
class PrintC implements Runnable {
    private PrintInfo printInfo ;
    public PrintC (PrintInfo printInfo){
        this.printInfo = printInfo ;
    }
    @Override
    public void run() {
        printInfo.printC ();
    }
}
class PrintInfo {
    // 控制下個執行的線程
    private String info = "A";
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 三個線程，三個控制條件
    Condition conditionA = lock.newCondition();
    Condition conditionB = lock.newCondition();
    Condition conditionC = lock.newCondition();
    public void printA (){
        try {
            lock.lock();
            while (!info.equals("A")) {
                conditionA.await();
            }
            System.out.print("A");
            info = "B";
            conditionB.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void printB (){
        try {
            lock.lock();
            while (!info.equals("B")) {
                conditionB.await();
            }
            System.out.print("B");
            info = "C";
            conditionC.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void printC (){
        try {
            lock.lock();
            while (!info.equals("C")) {
                conditionC.await();
            }
            System.out.print("C");
            info = "A";
            conditionA.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}           

該案例經常出現在多線程的面試題中，如何實作ABC的順序列印問題，基本思路就是基于線程的等待通知機制，但是實作方式很多，上述隻是其中一種方式。

二、讀寫鎖機制

1、基礎API簡介

重入鎖的排它特性決定了性能會産生瓶頸，為了提升性能問題，JDK中還有另一套讀寫鎖機制。讀寫鎖中維護一個共享讀鎖和一個排它寫鎖，在實際開發中，讀的場景還是偏多的，是以讀寫鎖可以很好的提高并發性。

讀寫鎖相關結構中兩個基礎API：ReadWriteLock接口和ReentrantReadWriteLock實作類，基本關系如下：

ReadWriteLock

提供兩個基礎方法，readLock擷取讀機制鎖，writeLock擷取寫機制鎖。

ReentrantReadWriteLock

接口ReadWriteLock的具體實作，特點：基于讀鎖時，其他線程可以進行讀操作，基于寫鎖時，其他線程讀、寫操作都禁止。

讀寫分離模式

通過讀寫鎖機制，分别向資料容器Map中寫入資料和讀取資料，以此驗證讀寫鎖機制。

public class LockAPI03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DataMap dataMap = new DataMap() ;
        Thread read = new Thread(new GetRun(dataMap)) ;
        Thread write = new Thread(new PutRun(dataMap)) ;
        write.start();
        Thread.sleep(2000);
        read.start();
    }
}
class GetRun implements Runnable {
    private DataMap dataMap ;
    public GetRun (DataMap dataMap){
        this.dataMap = dataMap ;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("GetRun："+dataMap.get("myKey"));
    }
}
class PutRun implements Runnable {
    private DataMap dataMap ;
    public PutRun (DataMap dataMap){
        this.dataMap = dataMap ;
    }
    @Override
    public void run() {
        dataMap.put("myKey","myValue");
    }
}
class DataMap {
    Map<String,String> dataMap = new HashMap<>() ;
    ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock() ;
    Lock readLock = rwLock.readLock() ;
    Lock writeLock = rwLock.writeLock() ;

    // 讀取資料
    public String get (String key){
        readLock.lock();
        try{
            return dataMap.get(key) ;
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
    // 寫入資料
    public void put (String key,String value){
        writeLock.lock();
        try{
            dataMap.put(key,value) ;
            System.out.println("執行寫入結束...");
            Thread.sleep(10000);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("Exception...");
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}           

說明：當put方法一直在睡眠狀态時，因為寫鎖的排它性質，是以讀方法是無法執行的。

三、基礎工具類

LockSupport簡介

LockSupprot定義一組公共靜态方法，這些方法提供最基本的線程阻塞和喚醒功

能。

基礎方法

park()：目前線程阻塞，目前線程被中斷或調用unpark方法，park()方法中傳回；

park(Object blocker)：功能同park()，傳入Object對象，記錄導緻線程阻塞的阻塞對象，友善問題排查；

parkNanos(long nanos)：指定時間nanos内阻塞目前線程，逾時傳回；

unpark(Thread thread)：喚醒指定處于阻塞狀态的線程；

代碼案例

該流程在購物APP上非常常見，當你準備支付時放棄，會有一個支付失效，在支付失效期内可以随時回來支付，過期後需要重新選取支付商品。

public class LockAPI04 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        OrderPay orderPay = new OrderPay("UnPaid") ;
        Thread orderThread = new Thread(orderPay) ;
        orderThread.start();
        Thread.sleep(3000);
        orderPay.changeState("Pay");
        LockSupport.unpark(orderThread);
    }
}
class OrderPay implements Runnable {
    // 支付狀态
    private String orderState ;
    public OrderPay (String orderState){
        this.orderState = orderState ;
    }
    public synchronized void changeState (String orderState){
        this.orderState = orderState ;
    }
    @Override
    public void run() {
        if (orderState.equals("UnPaid")){
            System.out.println("訂單待支付..."+orderState);
            LockSupport.park(orderState);
        }
        System.out.println("orderState="+orderState);
        System.out.println("訂單準備發貨...");
    }
}           

這裡基于LockSupport中park和unpark控制線程狀态，實作的等待通知機制。

四、源代碼位址

GitHub·位址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·位址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent