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Java线程安全StampedLock
Java线程安全Lock、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock
Java线程安全集合总结
Java原子操作Atomic

文章目录

前言
Lock
ReentrantLock
- 公平锁/非公平锁
- 超时机制
- 可重入锁
读写锁 ReentrantReadWriteLock
- 源码结构
- 总结
- 示例

前言

java5之后，并发包中新增了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁的功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能。

既然有了synchronized这种内置的锁功能，为何要新增Lock接口？先来想象一个场景：手把手的进行锁获取和释放，先获得锁A，然后再获取锁B，当获取锁B后释放锁A同时获取锁C，当锁C获取后，再释放锁B同时获取锁D，以此类推，这种场景下，synchronized关键字就不那么容易实现了，而使用Lock却显得容易许多。

Lock

Lock 是一个接口

public interface Lock {void lock();void lockInterruptibly() throws InterruptedException;boolean tryLock();boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;void unlock();Condition newCondition();
}

ReentrantLock

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {}

使用如下：

public class LockTest {Lock lock = new ReentrantLock();public void run(){//获取锁 lock.lock();//doSomething//释放锁lock.unlock();}
}

使用起来，也非常简单，首先 lock.lock(); 获取锁，然后去执行自己的逻辑，最后调用 lock.unlock(); 释放锁。

但是这里有个问题，如果我们的逻辑发生异常，那就永远无法释放锁，所以我们优化一下，把释放锁的逻辑放在 finally 块中，如下

public class LockTest {Lock lock = new ReentrantLock();public void run(){//获取锁lock.lock();try {//doSomething}catch (Exception e){}finally {//释放锁lock.unlock();}}
}

公平锁/非公平锁

非公平锁：如果同时还有另一个线程进来尝试获取，那么有可能会让这个线程抢先获取；
公平锁：如果同时还有另一个线程进来尝试获取，当它发现自己不是在队首的话，就会排到队尾，由队首的线程获取到锁。

ReentrantLock 主要利用CAS+AQS队列来实现。它支持公平锁和非公平锁，两者的实现类似。

CAS：Compare and Swap，比较并交换。CAS有3个操作数：内存值V、预期值A、要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。该操作是一个原子操作，被广泛的应用在Java的底层实现中。在Java中，CAS主要是由sun.misc.Unsafe这个类通过JNI调用CPU底层指令实现

ReentrantLock主要利用CAS+AQS队列来实现。它支持公平锁和非公平锁，两者的实现类似。

AbstractQueuedSynchronizer 简称AQS

我们来看一下 ReentrantLock 构造函数

   public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}/*** Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the* given fairness policy.** @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy*/public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}

构造支持传入 fair 来指定是否是公平锁

FairSync() 公平锁
NonfairSync() 非公平锁

如果使用无参构造函数，则是非公平锁。

超时机制

在 ReetrantLock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 提供了超时获取锁的功能。它的语义是在指定的时间内如果获取到锁就返回true，获取不到则返回false。这种机制避免了线程无限期的等待锁释放。

可重入锁

可重入锁。可重入锁是指同一个线程可以多次获取同一把锁。ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。
可中断锁。可中断锁是指线程尝试获取锁的过程中，是否可以响应中断。synchronized是不可中断锁，而ReentrantLock则提供了中断功能。
公平锁与非公平锁。公平锁是指多个线程同时尝试获取同一把锁时，获取锁的顺序按照线程达到的顺序，而非公平锁则允许线程“插队”。synchronized是非公平锁，而ReentrantLock的默认实现是非公平锁，但是也可以设置为公平锁。

读写锁 ReentrantReadWriteLock

现实中有这样一种场景：对共享资源有读和写的操作，且写操作没有读操作那么频繁。

在没有写操作的时候，多个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程同时读取共享资源；但是如果一个线程想去写这些共享资源，就不应该允许其他线程对该资源进行读和写的操作了。

针对这种场景，JAVA的并发包提供了读写锁 ReentrantReadWriteLock，它表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁，描述如下：

线程进入读锁的前提条件：

没有其他线程的写锁，
没有写请求或者有写请求，但调用线程和持有锁的线程是同一个。

线程进入写锁的前提条件：

没有其他线程的读锁
没有其他线程的写锁

而读写锁有以下三个重要的特性：

（1）公平选择性：支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平。

（2）重进入：读锁和写锁都支持线程重进入。

（3）锁降级：遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。

源码结构

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {/** 读锁 */private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;/** 写锁 */private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;final Sync sync;/** 使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */public ReentrantReadWriteLock() {this(false);}/** 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();readerLock = new ReadLock(this);writerLock = new WriteLock(this);}/** 返回用于写入操作的锁 */public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }/** 返回用于读取操作的锁 */public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}static final class NonfairSync extends Sync {}static final class FairSync extends Sync {}public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

1、类的继承关系

public class ReentrantReadWriteLockimplements ReadWriteLock, java.io.Serializable {}

说明：可以看到，ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口，ReadWriteLock接口定义了获取读锁和写锁的规范，具体需要实现类去实现；同时其还实现了Serializable接口，表示可以进行序列化，在源代码中可以看到ReentrantReadWriteLock实现了自己的序列化逻辑。

2、ReentrantReadWriteLock有五个内部类，五个内部类之间也是相互关联的。内部类的关系如下图所示。

说明：如上图所示，Sync继承自AQS、NonfairSync继承自Sync类、FairSync继承自Sync类（通过构造函数传入的布尔值决定要构造哪一种Sync实例）；ReadLock实现了Lock接口、WriteLock也实现了Lock接口。

总结

在线程持有读锁的情况下，该线程不能取得写锁(因为获取写锁的时候，如果发现当前的读锁被占用，就马上获取失败，不管读锁是不是被当前线程持有)。
在线程持有写锁的情况下，该线程可以继续获取读锁（获取读锁时如果发现写锁被占用，只有写锁没有被当前线程占用的情况才会获取失败）。

仔细想想，这个设计是合理的：因为当线程获取读锁的时候，可能有其他线程同时也在持有读锁，因此不能把获取读锁的线程“升级”为写锁；而对于获得写锁的线程，它一定独占了读写锁，因此可以继续让它获取读锁，当它同时获取了写锁和读锁后，还可以先释放写锁继续持有读锁，这样一个写锁就“降级”为了读锁。

综上：

一个线程要想同时持有写锁和读锁，必须先获取写锁再获取读锁；写锁可以“降级”为读锁；读锁不能“升级”为写锁。

示例

public class LockTest {ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();Lock readLock = lock.readLock();Lock writeLock = lock.writeLock();}

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