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Java多線程（九）之ReentrantLock與Condition一、ReentrantLock 類二、條件變量Condition

一、ReentrantLock 類

1.1 什麼是reentrantlock

java.util.concurrent.lock 中的 Lock 架構是鎖定的一個抽象，它允許把鎖定的實作作為 Java 類，而不是作為語言的特性來實作。這就為 Lock 的多種實作留下了空間，各種實作可能有不同的排程算法、性能特性或者鎖定語義。 ReentrantLock 類實作了 Lock ，它擁有與 synchronized 相同的并發性和記憶體語義，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，它還提供了在激烈争用情況下更佳的性能。（換句話說，當許多線程都想通路共享資源時，JVM 可以花更少的時候來排程線程，把更多時間用在執行線程上。）

reentrant 鎖意味着什麼呢？簡單來說，它有一個與鎖相關的擷取計數器，如果擁有鎖的某個線程再次得到鎖，那麼擷取計數器就加1，然後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（或者後續） synchronized 塊的時候，不釋放鎖，隻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。

1.2 ReentrantLock與synchronized的比較

相同：ReentrantLock提供了synchronized類似的功能和記憶體語義。

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，是以更有擴充性。在多個條件變量和高度競争鎖的地方，用ReentrantLock更合适，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執行個體，是以更有擴充性。

（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，可以等下次運作的時候處理，是以不容易産生死鎖，而synchronized則一旦進入鎖請求要麼成功，要麼一直阻塞，是以更容易産生死鎖。

1.3 ReentrantLock擴充的功能

1.3.1 實作可輪詢的鎖請求 

在内部鎖中，死鎖是緻命的——唯一的恢複方法是重新啟動程式，唯一的預防方法是在建構程式時不要出錯。而可輪詢的鎖擷取模式具有更完善的錯誤恢複機制，可以規避死鎖的發生。 

如果你不能獲得所有需要的鎖，那麼使用可輪詢的擷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，然後再重新嘗試。可輪詢的鎖擷取模式，由tryLock()方法實作。此方法僅在調用時鎖為空閑狀态才擷取該鎖。如果鎖可用，則擷取鎖，并立即傳回值true。如果鎖不可用，則此方法将立即傳回值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 
}

1.3.2 實作可定時的鎖請求 

當使用内部鎖時，一旦開始請求，鎖就不能停止了，是以内部鎖給實作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内設定相應的逾時。如果活動在期待的時間内沒能獲得結果，定時鎖能使程式提前傳回。可定時的鎖擷取模式，由tryLock(long, TimeUnit)方法實作。 

1.3.3 實作可中斷的鎖擷取請求 

可中斷的鎖擷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。

1.4 ReentrantLock不好與需要注意的地方

（1） lock 必須在 finally 塊中釋放。否則，如果受保護的代碼将抛出異常，鎖就有可能永遠得不到釋放！這一點差別看起來可能沒什麼，但是實際上，它極為重要。忘記在 finally 塊中釋放鎖，可能會在程式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 将確定鎖會獲得自動釋放 （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資訊。這些對調試非常有價值，因為它們能辨別死鎖或者其他異常行為的來源。 Lock 類隻是普通的類，JVM 不知道具體哪個線程擁有 Lock 對象。

二、條件變量Condition

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，以便在某個狀态條件現在可能為 true 的另一個線程通知它之前，一直挂起該線程（即讓其“等待”）。因為通路此共享狀态資訊發生在不同的線程中，是以它必須受保護，是以要将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，并挂起目前線程，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，擷取一個條件變量的方法是Lock.newCondition()。

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();

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。特别說明的是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可以有任意資料的Condition對象，Condition是與Lock綁定的，是以就有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，那麼後續的鎖競争就不保證FIFO順序了。

一個使用Condition實作生産者消費者的模型例子如下。

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();
        }
    }

}

在這個例子中消費take()需要 隊列不為空，如果為空就挂起（await()），直到收到notEmpty的信号；生産put()需要隊列不滿，如果滿了就挂起（await()），直到收到notFull的信号。

可能有人會問題，如果一個線程lock()對象後被挂起還沒有unlock，那麼另外一個線程就拿不到鎖了（lock()操作會挂起），那麼就無法通知(notify)前一個線程，這樣豈不是“死鎖”了？

2.1 await* 操作

上一節中說過多次ReentrantLock是獨占鎖，一個線程拿到鎖後如果不釋放，那麼另外一個線程肯定是拿不到鎖，是以在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擷取鎖的操作）。我們再回頭看代碼，不管take()還是put()，在進入lock.lock()後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，然後挂起線程，一旦條件滿足就被喚醒，再次擷取鎖！

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);
}

上面是await()的代碼片段。上一節中說過,AQS在擷取鎖的時候需要有一個CHL的FIFO隊列，是以對于一個Condition.await()而言，如果釋放了鎖，要想再一次擷取鎖那麼就需要進入隊列，等待被通知擷取鎖。完整的await()操作是安裝如下步驟進行的：

    1. 将目前線程加入Condition鎖隊列。特别說明的是，這裡不同于AQS的隊列，這裡進入的是Condition的FIFO隊列。後面會具體談到此結構。進行2。
    2. 釋放鎖。這裡可以看到将鎖釋放了，否則别的線程就無法拿到鎖而發生死鎖。進行3。
    3. 自旋(while)挂起，直到被喚醒或者逾時或者CACELLED等。進行4。
    4. 擷取鎖(acquireQueued)。并将自己從Condition的FIFO隊列中釋放，表明自己不再需要鎖（我已經拿到鎖了）。

這裡再回頭介紹Condition的資料結構。我們知道一個Condition可以在多個地方被await*()，那麼就需要一個FIFO的結構将這些Condition串聯起來，然後根據需要喚醒一個或者多個（通常是所有）。是以在Condition内部就需要一個FIFO的隊列。

private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;

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）資料結構。我們就發現Node.nextWaiter就派上用場了！nextWaiter就是将一系列的Condition.await*串聯起來組成一個FIFO的隊列。

2.2 signal/signalAll 操作

await*()清楚了，現在再來看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要将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隻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)。

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);
}

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線程就需要将其從FIFO隊列中剔除。

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;
}

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，那麼就需要線程節點進入AQS的隊列。是以可以看到在LockSupport.unpark之前調用了enq(node)操作，将目前節點加入到AQS隊列。

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

多線程 java java多線程 concurrent condition ReentrantLock
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