锁Lock 那点事儿
项目经理今天又接了一个客户需求，又要折磨我们这些程序员屌丝了。这个需求说起来很简单，做起来非常容易出错。我先简单描述一下：
这是一个在线文件编辑器。同一份文件，一个人在读的时候，其他人不能写；同理，一个人在写的时候，其他人也不能读。也就是说，要么读，要么写，这两件事情不能同时进行。
项目经理跟客户讲，“这个很容易实现的，我们是可以做的。”。什么都可以做，做不出来说是我们程序员能力不行，他一点责任都没有。领导发话了，不管怎么样，事情还是要做的。
看了一下需求，有两个问题，我得先问清楚，否则到时候做得不对，他又把负责推给我，我们项目经理经常搞这些让我背黑锅的事情。
“多人同时读可以吗？”
“当然可以啦！多少人来读都没关系，文件的内容不要变就行。”。
“多人同时写可以吗？”
“当然不行啦！你写别人也会写，文件不知道以哪份数据为准了。”。
他态度极其恶劣，算了，不跟他计较了，我的项目奖金还在他手里。赶紧完工，下班了还要回家抱小孩。
根据多年的项目实战经验，我写了一个超牛逼的 Data 类，来封装文件的数据。看起来是这样的：
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public class Data {
private final char[] buffer;
public Data(int size) {
this.buffer = new char[size];
for (int i = 0; i < size; i++) {
buffer[i] = '*';
}
}
public String read() {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (char c : buffer) {
result.append(c);
}
sleep(100);
return result.toString();
}
public void write(char c) {
for (int i = 0; i < buffer.length; i++) {
buffer[i] = c;
sleep(100);
}
}
private void sleep(long ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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稍微解释一下：
- Data 类中封装了一个 char 数组类型的 buffer 成员变量。
- 在构造器中传入一个 size，表示 buffer 的长度，并在其中创建并初始化这个 buffer，使其每个字符都为“*”。
- 提供两个方法，一个负责读取，另一个负责写入。在读取方法中只需遍历 buffer，将结果不断 append 到一个 StringBuilder 中，最终将其转为 String 并返回。
- 在写入方法中传入一个字符，仍然是遍历 buffer，赋值 buffer 中的每个字符，这样可以使 buffer 中每个字符都是相同的。
- 故意在读写方法中加入了一个 sleep() 方法，让程序运行慢一点，模拟比较耗时的操作。而且故意让写入比读取慢一点，因为将 sleep() 方法放入了 write() 方法的循环体中，而 read() 方法却没有。
当然了，以上这个示例跑通了，我想项目经理那个需求也不难实现。这也是我们平时做开发的一种习惯，先快速地写个 Demo 出来，让领导们看看，技术上走通了，我们再实现具体的需求。
好了，不就是要同时读写吗？这不就是一个典型的多线程使用场景吗？于是我快速地写了一个读取线程，让它拼命地去读取 Data 中的数据。
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public class ReaderThread extends Thread {
private final Data data;
public ReaderThread(Data data) {
this.data = data;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
String result = data.read();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " => " + result);
}
}
}
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在 ReaderThread 中通过一个死循环去不断地读取 Data 中的数据，并将结果打印出来。
再来一个写入线程，让它使劲地向 Data 中写入数据。
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public class WriterThread extends Thread {
private final Data data;
private final String str;
private int index = 0;
public WriterThread(Data data, String str) {
this.data = data;
this.str = str;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
char c = next();
data.write(c);
}
}
private char next() {
char c = str.charAt(index);
index++;
if (index >= str.length()) {
index = 0;
}
return c;
}
}
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一次性可以传入一个字符串到 WriterThread 中，它将不断获取下一个字符（请见 next() 方法），并将该字符写入 Data 中。
如果让 ReaderThread 与 WriterThread 同时工作会怎样？不妨写了一个简单的 Client 类运行试试看。
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public class Client {
public static void main(String[] args) {
Data data = new Data(10);
new ReaderThread(data).start();
new ReaderThread(data).start();
new ReaderThread(data).start();
new ReaderThread(data).start();
new ReaderThread(data).start();
new WriterThread(data, "ABCDEFGHI").start();
new WriterThread(data, "012345789").start();
}
}
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我开启了 5 个 ReaderThread 与 2 个 WriterThread，模拟读得多写得少的情况，并将不同的数据写入 Data 中。
运行一下！
…
Thread-1 => AA0A0A00A0
Thread-4 => AA0A0A00A0
Thread-3 => AA0A0A00A0
Thread-2 => AA0A0A00A0
Thread-0 => AA0A0A00A0
…
为何每次读取出来的数据不一致呢？应该是输出 10 个相同的字符才对啊！Data 的 buffer 中每个字符不是应该相同吗？
如果把这个结果给项目经理看，他肯定要搞死我的。
哦！想到了！在多线程开发中，资源的访问一定要做到“共享互斥”，也就是说要“上锁”，这招还是架构师前几天才教我的，我怎能不用？
于是我用了 Java 多线程中超牛逼的 synchronized 关键字，将它放到了 read() 与 write() 方法上，这样就可以保证 synchronized 方法在同一时刻只能被一个线程调用了，其他线程将会阻挡在外。
废话少说，赶紧加两个 synchronized 运行看看吧。
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public class Data {
...
public synchronized String read() {
...
}
public synchronized void write(char c) {
...
}
...
}
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再运行一把！
…
Thread-0 => 1111111111
Thread-4 => CCCCCCCCCC
Thread-3 => CCCCCCCCCC
Thread-2 => CCCCCCCCCC
Thread-1 => CCCCCCCCCC
…
终于搞定啦！这下子项目经理应该满意了吧？
“不错！这效果很好啊，同时写同时读，而且每次读出来的数据都一样，技术上应该是走通了，这个需求应该可以实现了吧？” 项目经理问。
“没问题啊！小意思！” 我高兴的答。
“这是一个在线文件编辑器，你考虑过性能问题吗？” 架构师突然问了一句。
“性能很好啊！”
“你可以在 ReaderThread 中每调用 10 次 read() 方法，就打印 1 次所耗时间看看。”
“好啊！”
这还不简单，我快速地给 ReaderThread 的 run() 方法中加了几行代码，测试一下运行所消耗的时间。
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public class ReaderThread extends Thread {
...
@Override
public void run() {
while (true) {
long begin = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
String result = data.read();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " => " + result);
}
long time = System.currentTimeMillis() - begin;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -- " + time + "ms");
}
}
}
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跑起来吧！
…
Thread-2 => IIIIIIIIII
Thread-2 — 24802ms
Thread-3 => IIIIIIIIII
Thread-3 — 24901ms
Thread-4 => IIIIIIIIII
Thread-4 — 25001ms
Thread-0 => 3333333333
…
Thread-0 => 1111111111
Thread-0 — 55305ms
Thread-4 => CCCCCCCCCC
Thread-3 => CCCCCCCCCC
Thread-2 => CCCCCCCCCC
Thread-1 => CCCCCCCCCC
Thread-1 — 58705ms
Thread-2 => CCCCCCCCCC
…
我随意挑选了其中这 5 个 ReaderThread 所消耗的时间，平均值是：37742.8 毫秒，折合 37.8 秒。
我心里也没谱了，这性能到底是否需要优化呢？于是我带着测试结果，去向架构师请教。
他看到了这样的结果，微笑着摇了摇头。从他鄙视而又猥琐的表情上，我可以推测，这次他又要在我面前露一手了。
来吧，我给你写一个 ReadWriteLock，你自己去看吧。
随后，架构师用他熟练的手指，疯狂地在键盘上敲了一堆让我一知半解的东西。
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ublic class ReadWriteLock {
private int readThreadCounter = 0; // 正在读取的线程数（0个或多个）
private int waitingWriteCounter = 0; // 等待写入的线程数（0个或多个）
private int writeThreadCounter = 0; // 正在写入的线程数（0个或1个）
private boolean writeFlag = true; // 是否对写入优先（默认为是）
// 读取加锁
public synchronized void readLock() throws InterruptedException {
// 若存在正在写入的线程，或当写入优先时存在等待写入的线程，则将当前线程设置为等待状态
while (writeThreadCounter > 0 || (writeFlag && waitingWriteCounter > 0)) {
wait();
}
// 使正在读取的线程数加一
readThreadCounter++;
}
// 读取解锁
public synchronized void readUnlock() {
// 使正在读取的线程数减一
readThreadCounter--;
// 读取结束，对写入优先
writeFlag = true;
// 通知所有处于 wait 状态的线程
notifyAll();
}
// 写入加锁
public synchronized void writeLock() throws InterruptedException {
// 使等待写入的线程数加一
waitingWriteCounter++;
try {
// 若存在正在读取的线程，或存在正在写入的线程，则将当前线程设置为等待状态
while (readThreadCounter > 0 || writeThreadCounter > 0) {
wait();
}
} finally {
// 使等待写入的线程数减一
waitingWriteCounter--;
}
// 使正在写入的线程数加一
writeThreadCounter++;
}
// 写入解锁
public synchronized void writeUnlock() {
// 使正在写入的线程数减一
writeThreadCounter--;
// 写入结束，对读取优先
writeFlag = false;
// 通知所有处于等待状态的线程
notifyAll();
}
}
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我看出来了，架构师特意写了很多注释，免得我总是去烦他。
代码不解释了，看看注释吧，有疑问可以给我留言哦！
此时，Data 类还需要稍作改写。
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public class Data {
...
private final ReadWriteLock lock = new ReadWriteLock(); // 创建读写锁
...
public String read() throws InterruptedException {
lock.readLock(); // 读取上锁
try {
return doRead(); // 执行读取操作
} finally {
lock.readUnlock(); // 读取解锁
}
}
public void write(char c) throws InterruptedException {
lock.writeLock(); // 写入上锁
try {
doWrite(c); // 执行写入操作
} finally {
lock.writeUnlock(); // 写入解锁
}
}
private String doRead() {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (char c : buffer) {
result.append(c);
}
sleep(100);
return result.toString();
}
private void doWrite(char c) {
for (int i = 0; i < buffer.length; i++) {
buffer[i] = c;
sleep(100);
}
}
...
}
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同样的 Client 类，我再运行一把试试看，性能是否有提高呢？
…
Thread-1 => 4444444444
Thread-2 — 14000ms
Thread-0 — 14001ms
Thread-3 — 14000ms
Thread-4 — 14000ms
Thread-1 — 14001ms
Thread-4 => IIIIIIIIII
…
平均下来是 14000.4 毫秒，折合 14.0 秒，比以前快了 63%，而且输出的结果都比以前平稳（以前忽高忽低的）。
果然是架构师，真让我们这些程序员崇拜啊！
最后架构师过来，看到我在那里得意地笑。他拍拍我的肩，对我说：“别乐了，其实 JDK 1.5 中已经有 ReadWriteLock 了，我这个只不过是一个精简版而已，去看看 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock 吧，你一定会震精！”。
看来我真是孤陋寡闻啊，打开 JDK API 看到了 ReadWriteLock：
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public interface ReadWriteLock {
Lock readLock();
Lock writeLock();
}
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可以通过 ReadWriteLock 接口来获取 ReadLock 与 WriteLock，它们都是 Lock 对象，这也是一个接口。
官方提供了一个 ReadWriteLock 接口的实现类 java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock。
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public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
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该接口中，有两个非常重要的方法：lock() 与 unlock()，分别表示“上锁”与“解锁”。
尝试用一下 JDK 的 ReadWriteLock 吧。
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public class Data {
...
private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); // 创建读写锁
private final Lock readLock = lock.readLock(); // 获取读锁
private final Lock writeLock = lock.writeLock(); // 获取写锁
...
public String read() throws InterruptedException {
readLock.lock(); // 读取上锁
try {
return doRead(); // 执行读取操作
} finally {
readLock.unlock(); // 读取解锁
}
}
public void write(char c) throws InterruptedException {
writeLock.lock(); // 写入上锁
try {
doWrite(c); // 执行写入操作
} finally {
writeLock.unlock(); // 写入解锁
}
}
...
}
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再次运行一把看看效果。
使用了 JDK 的 ReadWriteLock，性能与自己实现的 ReadWriteLock 差不多，大家不妨自己试一下吧。
此外 JDK 还提供了一个更加简单的 ReentrantLock，它可以取代 synchronized，确保获取更高的吞吐率，一般可以这样来做：
以前的做法：
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public synchronized void foo() {
...
}
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现在的做法：
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private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void foo() {
lock.lock();
try {
...
} finally {
lock.unlock();
}
}
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这里提供两张 synchronized 与 Lock 的性能测试对比：
参考：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp10264/index.html
总结
当系统中出现不同的读写线程同时访问某一资源时，需要考虑共享互斥问题，可使用 synchronized 解决次问题。若对性能要求较高的情况下，可考虑使用 ReadWriteLock 接口及其 ReentrantReadWriteLock 实现类，当然，自己实现一个 ReadWriteLock 也是一种解决方案。此外，为了在高并发情况下获取较高的吞吐率，建议使用 Lock 接口及其 ReentrantLock 实现类来替换以前的 synchronized 方法或代码块。
关于 Lock 那点事儿当然还不止这些，今天先写到这里吧，以上内容是否对大家有用，敬请点评！
原文出处： 黄勇
from: http://www.importnew.com/22971.html
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