并发七:Lock 和Condition

Lock 和Condition

Lock

Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但我们希望的是：

对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。也就不会死锁。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？有三种方案。

能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。

//支持中断的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(Long time,TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();

如何保证可见性

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是try{}finally{}，需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。已经知道 Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有一条 synchronized 相关的规则：synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？利用了volatile相关的Happens-Before规则。

可重入锁

ReentrantLock，这个翻译过来叫可重入锁，。所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1 可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。

class X{
    private final Lock rt1 =new ReentrantLock();
    int value;
    public int get(){
        //获取锁
        rt1.lock();   @2
        try{
            return value;
        }finally{
            //保证锁释放
            rt1.unlock();
        }
    }
    public void addOne(){
        //获取锁
        rt1.lock();
        try{
            value =1+get(); @1
        }finally{
            //保证锁能释放
            rt1.unlock();
        }
    }
}

公平锁和非公平锁

在使用 ReentrantLock 的时候，会发现 ReentrantLock 这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

在前面管程章节中，我们介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

最佳实践

永远只在更新对象的成员变量时加锁
永远只在访问可变的成员变量时加锁
永远不在调用其他对象的方法时加锁

Condition

Condition 实现了管程模型里面的条件变量。

Java 语言内置的管程里只有一个条件变量，而 Lock&Condition 实现的管程是支持多个条件变量的，这是二者的一个重要区别。在很多并发场景下，支持多个条件变量能够让我们的并发程序可读性更好，实现起来也更容易。例如，实现一个阻塞队列，就需要两个条件变量。

利用条件变量实现阻塞队列

一个阻塞队列，需要两个条件变量，一个是队列不空（空队列不允许出队），一个是队列不满（队列已满不允许入队）。

Lock 和 Condition 实现的管程，线程等待和通知需要调用 await()、signal()、signalAll()，它们的语义和 wait()、notify()、notifyAll() 是相同的。但是不一样的是，Lock&Condition 实现的管程里只能使用前面的 await()、signal()、 signalAll()，而后面的 wait()、notify()、notifyAll() 只有在 synchronized 实现的管程里才能使用。

Java SDK 并发包里的 Lock 和 Condition 不过就是管程的一种实现而已。

同步异步

俗点来讲就是调用方是否需要等待结果，如果需要等待结果，就是同步；如果不需要等待结果，就是异步。

同步，是Java代码默认的处理方式，如果程序想支持异步，可以通过以下两种方式：

调用方创建一个子线程，在子线程中执行方法调用，这种调用我们称为异步调用；
方法实现的时候，创建一个新的线程执行主要逻辑，主线程直接 return，这种方法我们一般称为异步方法。

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