java 多線程-鎖詳解及範例程式碼_java

自 Java 5 開始，java.util.concurrent.locks 包中包含了一些鎖的實現，因此你不用去實現自己的鎖了。但是你仍然需要去瞭解怎樣使用這些鎖。

一個簡單的鎖

讓我們從 java 中的一個同步塊開始：

public class Counter{  private int count = 0;  public int inc(){    synchronized(this){      return ++count;    }  }}

可以看到在 inc()方法中有一個 synchronized(this)代碼塊。該代碼塊可以保證在同一時間只有一個線程可以執行 return ++count。雖然在 synchronized 的同步塊中的代碼可以更加複雜，但是++count 這種簡單的操作已經足以表達出線程同步的意思。

以下的 Counter 類用 Lock 代替 synchronized 達到了同樣的目的：

public class Counter{  private Lock lock = new Lock();  private int count = 0;  public int inc(){    lock.lock();    int newCount = ++count;    lock.unlock();    return newCount;  }}

lock()方法會對 Lock 執行個體對象進行加鎖，因此所有對該對象調用 lock()方法的線程都會被阻塞，直到該 Lock 對象的 unlock()方法被調用。

這裡有一個 Lock 類的簡單實現：

public class Counter{public class Lock{  private boolean isLocked = false;  public synchronized void lock()    throws InterruptedException{    while(isLocked){      wait();    }    isLocked = true;  }  public synchronized void unlock(){    isLocked = false;    notify();  }}

注意其中的 while(isLocked)迴圈，它又被叫做“自旋鎖”。當 isLocked 為 true 時，調用 lock()的線程在 wait()調用上阻塞等待。為防止該線程沒有收到 notify()調用也從 wait()中返回（也稱作虛假喚醒），這個線程會重新去檢查 isLocked 條件以決定當前是否可以安全地繼續執行還是需要重新保持等待，而不是認為線程被喚醒了就可以安全地繼續執行了。如果 isLocked 為 false，當前線程會退出 while(isLocked)迴圈，並將 isLocked 設回 true，讓其它正在調用 lock()方法的線程能夠在 Lock 執行個體上加鎖。

當線程完成了臨界區（位於 lock()和 unlock()之間）中的代碼，就會調用 unlock()。執行 unlock()會重新將 isLocked 設定為 false，並且通知（喚醒）其中一個（若有的話）在 lock()方法中調用了 wait()函數而處於等待狀態的線程。

鎖的可重新進入性

Java 中的 synchronized 同步塊是可重新進入的。這意味著如果一個 java 線程進入了代碼中的 synchronized 同步塊，並因此獲得了該同步塊使用的同步對象對應的管程上的鎖，那麼這個線程可以進入由同一個管程對象所同步的另一個 java 代碼塊。下面是一個例子：

public class Reentrant{  public synchronized outer(){    inner();  }  public synchronized inner(){    //do something  }}

注意 outer()和 inner()都被聲明為 synchronized，這在 Java 中和 synchronized(this)塊等效。如果一個線程調用了 outer()，在 outer()裡調用 inner()就沒有什麼問題，因為這兩個方法（代碼塊）都由同一個管程對象（”this”)所同步。如果一個線程已經擁有了一個管程對象上的鎖，那麼它就有權訪問被這個管程對象同步的所有代碼塊。這就是可重新進入。線程可以進入任何一個它已經擁有的鎖所同步著的代碼塊。

前面給出的鎖實現不是可重新進入的。如果我們像下面這樣重寫 Reentrant 類，當線程調用 outer()時，會在 inner()方法的 lock.lock()處阻塞住。

public class Reentrant2{  Lock lock = new Lock();  public outer(){    lock.lock();    inner();    lock.unlock();  }  public synchronized inner(){    lock.lock();    //do something    lock.unlock();  }}

調用 outer()的線程首先會鎖住 Lock 執行個體，然後繼續調用 inner()。inner()方法中該線程將再一次嘗試鎖住 Lock 執行個體，結果該動作會失敗（也就是說該線程會被阻塞），因為這個 Lock 執行個體已經在 outer()方法中被鎖住了。

兩次 lock()之間沒有調用 unlock()，第二次調用 lock 就會阻塞，看過 lock()實現後，會發現原因很明顯：

public class Lock{  boolean isLocked = false;  public synchronized void lock()    throws InterruptedException{    while(isLocked){      wait();    }    isLocked = true;  }  ...}

一個線程是否被允許退出 lock()方法是由 while 迴圈（自旋鎖）中的條件決定的。當前的判斷條件是只有當 isLocked 為 false 時 lock 操作才被允許，而沒有考慮是哪個線程鎖住了它。

為了讓這個 Lock 類具有可重新進入性，我們需要對它做一點小的改動：

public class Lock{  boolean isLocked = false;  Thread lockedBy = null;  int lockedCount = 0;  public synchronized void lock()    throws InterruptedException{    Thread callingThread =      Thread.currentThread();    while(isLocked && lockedBy != callingThread){      wait();    }    isLocked = true;    lockedCount++;    lockedBy = callingThread; }  public synchronized void unlock(){    if(Thread.curentThread() ==      this.lockedBy){      lockedCount--;      if(lockedCount == 0){        isLocked = false;        notify();      }    }  }  ...}

注意到現在的 while 迴圈（自旋鎖）也考慮到了已鎖住該 Lock 執行個體的線程。如果當前的鎖對象沒有被加鎖(isLocked = false)，或者當前調用線程已經對該 Lock 執行個體加了鎖，那麼 while 迴圈就不會被執行，調用 lock()的線程就可以退出該方法（譯者註：“被允許退出該方法”在當前語義下就是指不會調用 wait()而導致阻塞）。

除此之外，我們需要記錄同一個線程重複對一個鎖對象加鎖的次數。否則，一次 unblock()調用就會解除整個鎖，即使當前鎖已經被加鎖過多次。在 unlock()調用沒有達到對應 lock()調用的次數之前，我們不希望鎖被解除。

現在這個 Lock 類就是可重新進入的了。

鎖的公平性

Java 的 synchronized 塊並不保證嘗試進入它們的線程的順序。因此，如果多個線程不斷競爭訪問相同的 synchronized 同步塊，就存在一種風險，其中一個或多個線程永遠也得不到訪問權 —— 也就是說訪問權總是分配給了其它線程。這種情況被稱作線程饑餓。為了避免這種問題，鎖需要實現公平性。本文所展現的鎖在內部是用 synchronized 同步塊實現的，因此它們也不保證公平性。

在 finally 語句中調用 unlock()

如果用 Lock 來保護臨界區，並且臨界區有可能會拋出異常，那麼在 finally 語句中調用 unlock()就顯得非常重要了。這樣可以保證這個鎖對象可以被解鎖以便其它線程能繼續對其加鎖。以下是一個樣本：

lock.lock();try{  //do critical section code,  //which may throw exception} finally {  lock.unlock();}

這個簡單的結構可以保證當臨界區拋出異常時 Lock 對象可以被解鎖。如果不是在 finally 語句中調用的 unlock()，當臨界區拋出異常時，Lock 對象將永遠停留在被鎖住的狀態，這會導致其它所有在該 Lock 對象上調用 lock()的線程一直阻塞。

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