Java多线程编程---线程锁与读写锁

java.util.concurrent.locks

        为锁和等待条件提供一个框架的接口和类的相关包。

接口摘要

        1、Condition：Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。

        2、Lock：Lock实现提供了比使用synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

        3、ReadWriteLock：ReadWriteLock维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。

类摘要

        1、AbstractOwnableSynchronizer：可以由线程以独占方式拥有的同步器。

        2、AbstractQueuedLongSynchronizer：以 long 形式维护同步状态的一个 AbstractQueuedSynchronizer 版本。

        3、AbstractQueuedSynchronizer：为实现依赖于先进先出 (FIFO) 等待队列的阻塞锁和相关同步器（信号量、事件，等等）提供一个框架。

        4、LockSupport：用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。

        5、ReentrantLock：一个可重入的互斥锁 Lock，它具有与使用 synchronized 方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。

        6、ReentrantReadWriteLock：支持与 ReentrantLock 类似语义的 ReadWriteLock 实现。

        7、ReentrantReadWriteLock.ReadLock：ReentrantReadWriteLock.readLock() 方法返回的锁。

        8、ReentrantReadWriteLock.WriteLock：ReentrantReadWriteLock.writeLock() 方法返回的锁。

线程锁

        Lock比传统线程模型中的synchronized更加面向对象，锁本身也是一个对象，两个线程执行的代码要实现同步互斥效果，就要使用同一个锁对象。锁要上在要操作的资源类的内部方法中，而不是线程代码中。

        public interface Lock

        所有已知实现类：ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock.ReadLock, ReentrantReadWriteLock.WriteLock。

        随着灵活性的增加，也带来了更多的责任。不使用块结构锁就失去了使用 synchronized 方法和语句时会出现的锁自动释放功能。在大多数情况下，应该使用以下语句：

        Lock l = ...;

        l.lock();

        try {

            // access the resourceprotected by this lock

        } finally {

            l.unlock();

        }

        锁定和取消锁定出现在不同作用范围中时，必须谨慎地确保保持锁定时所执行的所有代码用 try-finally 或 try-catch 加以保护，以确保在必要时释放锁。

方法摘要

        1、void lock()：获取锁。

        2、void lockInterruptibly()：如果当前线程未被中断，则获取锁。

        3、Condition newCondition()：返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。

        4、boolean tryLock()：仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。

        5、boolean tryLock(longtime, TimeUnit unit)：如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁。

        6、void unlock()：释放锁。

程序实例

打印字符串例子

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 
 * @Description: Lock使用实例
 *
 * @author： zxt
 *
 * @time: 2018年4月9日 下午3:20:30
 *
 */
public class LockTest {

	public static void main(String[] args) {
		final Output output = new Output();

		// 线程1
		new Thread(new Runnable() {

			public void run() {
				for (int i = 1; i <= 50; i++) {
					output.output(Thread.currentThread().getName() + " hello!!");
				}
			}
		}).start();
		
		// 线程2
		new Thread(new Runnable() {

			public void run() {
				for (int i = 1; i <= 50; i++) {
					output.output(Thread.currentThread().getName() + " world!!");
				}
			}
		}).start();
	}

}

class Output {
	
	Lock lock = new ReentrantLock();
	
	public void output(String name) {
		// 存在的问题，如果进去后程序出现异常，锁就一直不能释放了，别的线程就再也进不去了。
		lock.lock();
		try {
			// 将一个字符串挨个打印出
			for (int i = 0; i < name.length(); i++) {
				System.out.print(name.charAt(i));
			}
			System.out.println();
			
		} finally {
			// 解决办法：将锁里边的代码用try包围起来，在finally里边unlock，无论是否正常都要释放锁。
			lock.unlock();
		}
	}
}

上述例子中，当不加锁操作时，两个线程打印字符串的流程会被打乱：

加上锁之后，打印流程能在线程内保证原子性

注意：和synchronized不同的是，在线程执行完以后，要关闭锁unlock(),如果不关闭，其他在等待的线程就永远被锁在外面了。因为synchronized是在JVM层面实现的，因此系统可以监控锁的释放与否，而ReentrantLock使用代码实现的，系统无法自动释放锁，需要在代码中finally子句中显式释放锁lock.unlock()。

 

读写锁

        ReentrantReadWriteLock：读写锁，分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，由JVM控制。

构造方法摘要

        ReentrantReadWriteLock()：使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock。

        ReentrantReadWriteLock(boolean fair)：使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock。

方法摘要

        1、protected Thread getOwner()：返回当前拥有写入锁的线程，如果没有这样的线程，则返回 null。

        2、protected Collection<Thread> getQueuedReaderThreads()：返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取锁的线程。

        3、protected  Collection<Thread> getQueuedThreads()：返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。

        4、protected  Collection<Thread> getQueuedWriterThreads()：返回一个 collection，它包含可能正在等待获取写入锁的线程。

        5、int getQueueLength()：返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。

        6、int getReadHoldCount()：查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。

        7、int getReadLockCount()：查询为此锁保持的读取锁数量。

        8、protected  Collection<Thread> getWaitingThreads(Conditioncondition)：返回一个 collection，它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。

        9、int getWaitQueueLength(Conditioncondition)：返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。

        10、int getWriteHoldCount()：查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。

        11、boolean hasQueuedThread(Thread thread)：查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。

        12、boolean hasQueuedThreads()：查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。

        13、boolean   hasWaiters(Conditioncondition)：查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。

        14、boolean isFair()：如果此锁将公平性设置为 ture，则返回 true。

        15、boolean   isWriteLocked()：查询是否某个线程保持了写入锁。

        16、boolean isWriteLockedByCurrentThread()：查询当前线程是否保持了写入锁。

        17、ReentrantReadWriteLock.ReadLockreadLock()：返回用于读取操作的锁。

        18、String toString()：返回标识此锁及其锁状态的字符串。

        19、ReentrantReadWriteLock.WriteLock  writeLock()：返回用于写入操作的锁。

程序实例

        创建三个线程读数据，三个线程写数据示例：可以同时读，读的时候不能写，不能同时写，写的时候不能读。读的时候上读锁，读完解锁；写的时候上写锁，写完解锁。注意在finally代码块中解锁。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockTest {

	public static void main(String[] args) {
		final Mydata mydata = new Mydata();
		
		// 构造6个线程，3个读，3个写
		for(int i = 0; i < 3; i++) {
			// 读线程
			new Thread(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					while(true) {
						mydata.get();
					}
				}
			}).start();
			
			// 写线程
			new Thread(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					while(true) {
						mydata.put(new Random().nextInt(10000));
					}
				}
			}).start();
		}
	}
}

/**
 * 
 * @Description: 共线数据类，里面有获取数据的读方法和存放数据的写方法
 *
 * @author： zxt
 *
 * @time: 2018年4月9日 下午4:29:26
 *
 */
class Mydata {
	// 共享数据，只能有一个线程能写该数据，但可以有多个线程同时读该数据。
	private Object data = null;
	
	// 读写锁，（这里不能使用Lock，因为Lock会阻止所有的线程，而读数据的时候可以多个线程同时读）
	ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

	/**
	 * 
	 * @Description:获取数据
	 *
	 */
	public void get() {
		// 读数据，上读锁
		rwLock.readLock().lock();
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is ready to read data!");
			Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have read data :" + data);

		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			
		} finally {
			rwLock.readLock().unlock();
		}
	}

	/**
	 * 
	 * @Description:存放数据
	 *
	 */
	public void put(Object data) {
		// 写数据上写锁
		rwLock.writeLock().lock();
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is ready to write data!");
			Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
			this.data = data;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have write data :" + data);

		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			
		} finally {
			rwLock.writeLock().unlock();
		}
	}
}

当不加读写锁时，结果如下：不管是读还是写的过程，都有可能被其他线程抢占cpu执行，从而导致结果不正确。

加上读写锁之后的结果：

        JDK帮助文档中的示例用法。下面的代码展示了如何利用重入来执行升级缓存后的锁降级（为简单起见，省略了异常处理）：

class CachedData {
    Object data;
    volatile boolean cacheValid;	数据有没有（存在与否）的标记
    ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    void process CachedData() { 处理数据
        rwl.readLock().lock();先上读锁
            if (!cacheValid) { 如果数据不存在
                // Must release read lock before acquiring write lock
                rwl.readLock().unlock();准备写数据，需先解除读锁
                rwl.writeLock().lock();上写锁
                // Recheck state because another thread might have acquired
                // write lock and changed state before we did.
                if (!cacheValid) {再次检查数据是否存在，防止其他线程已经存入数据
                    data = ...
                    cacheValid = true;写好数据，改变标记
                }
                // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
                准备释放写锁，数据存在了，释放后就要使用数据，恢复产生数据前的读锁状态
                rwl.readLock().lock();
                rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
            }

     	use(data);存在直接使用数据
	rwl.readLock().unlock();解除读锁
    }
}

面试题：设计一个缓存系统

        缓存系统：你要取数据，需调用我的public Object getData(String key)方法，我要检查我内部有没有这个数据，如果有就直接返回，如果没有，就从数据库中查找这个数，查到后将这个数据存入我内部的存储器中，下次再有人来要这个数据，我就直接返回这个数不用再到数据库中找了。你要取数据不要找数据库，来找我。

import java.util.Date;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * 
 * @Description: 实现一个类似于缓存系统的功能：多个线程读某个数据，若发现数据为空，则由一个线程写数据
 *
 * @author： zxt
 *
 * @time: 2018年4月9日 下午10:36:50
 *
 */
public class CacheDemo {

	// 定义一个读写锁
	private static ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

	// 存储数据的 map
	private static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();

	public static void main(String[] args) {
		for(int i = 0; i < 3; i++) {
			final String key = i + "";
			new Thread(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					while(true) {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read data： " + getData(key));
					}
				}
			}).start();
		}
	}

	/**
	 * 
	 * @Description:通过key来取数据，若没有，则写，用读写锁来同步
	 * 
	 * @param key
	 * @return
	 */
	public static Object getData(String key) {
		// 首先尝试读取数据，加读锁
		rwLock.readLock().lock();
		Object value = null;
		try {
			value = map.get(key);
			if (value == null) {
				// 没有数据可供读取，则尝试写入数据
				// 先释放读锁，在加写锁
				rwLock.readLock().unlock();
				rwLock.writeLock().lock();

				try {
					// 假设此时有多个线程同时去获取写锁,我们知道只有第一个线程能够获取，那么其他的线程只能等待。
					// 如果第一个线程按流程执行完后，刚才等待的线程可以得到写锁了， 然后接着就可以修改数据了(赋值)。所以加上再次判断!
					if (value == null) {
						// 此处在实际应用中，可能就是从数据库中查找数据，放入缓存中
						value = Thread.currentThread().getName() + new Date();
					}

				} finally {
					// 写数据结束，释放写锁
					rwLock.writeLock().unlock();
				}

				// 此时需要再次加上读锁，读取数据
				rwLock.readLock().lock();
			}

		} finally {
			rwLock.readLock().unlock();
		}

		return value;
	}
}

可以发现，线程不会读取到null值，同时，首次读取之后，该值也不会改变。