高并发编程-自定义带有超时功能的锁
程序员文章站
2022-05-15 14:13:14
...
概述
我们知道synchronized的机制有一个很重要的特点是:使用synchronized, 当一个线程获取了锁,其他线程只能一直等待,等待这个获取锁的线程释放锁,如果这个线程执行时间很长,其他线程就需要一直等待 。 除非获取锁的线程执行完了该代码块,释放锁或者线程执行发生异常,JVM会使线程自动释放锁。
当然了J.U.C包中 Doug Lea大神已经设计了非常完美的解决方案,我们这里不讨论J.U.C的实现。
我们自己实现一套的话,该如何实现呢? 有几点需要思考
- 原有的synchronized功能,必须保证,即一个线程拿到锁后,其他线程必须等待
- 谁加的锁,必须由谁来释放
- 加入超时功能
- …
好了,开始吧
步骤
自定义超时异常处理类
既然要设计带超时功能的锁, 少不了当超时时,抛出异常,以便上层捕获处理。
public class TimeOutException extends RuntimeException {
public TimeOutException(String message){
super(message);
}
}
ILock接口
约定几个接口方法: lock 、lock(long timeout)、unlock、getBlockedThread、getBlockedSize 详见代码注释
package com.artisan.customLock;
import java.util.Collection;
public interface ILock {
/**
* 加锁
*/
void lock() throws InterruptedException;
/**
* 加锁
* @param timeout 持有锁的时间,过了该时间(毫秒) 自动释放该锁
*/
void lock(long timeout) throws InterruptedException,TimeOutException;
/**
* 释放锁
*/
void unlock();
/**
* 用于观察 有哪些线程因没有获取到锁被blocked
* @return
*/
Collection<Thread> getBlockedThreads();
/**
* 被blocked的线程数量
* @return
*/
int getBlockedSize();
}
实现类
详见代码注释。 加锁和释放锁方法 使用 synchronized 修饰,否则使用wait && notifyAll抛出异常
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.Optional;
public class CustomLock implements ILock {
// 默认false
// true: 已经被线程抢到 false: 空闲
private boolean lockFlag;
// 用于存储被blocked的线程,方便查看及计算被blocked的线程数量
Collection<Thread> blockedThreadCollection = new ArrayList<>();
/**
* 构造函数中初始化该lockFlag
*/
public CustomLock(){
this.lockFlag = false;
}
/**
* synchronized 修饰该方法
* @throws InterruptedException
*/
@Override
public synchronized void lock() throws InterruptedException {
// 如果其他线程已经获取到了锁,让该线程wait
while(lockFlag){
// 加入到blockedThreadCollection
blockedThreadCollection.add(Thread.currentThread());
// wait
this.wait();
}
// 如果空闲,将该monitor置为true
blockedThreadCollection.remove(Thread.currentThread());
lockFlag = true;
}
@Override
public void lock(long timeout) throws InterruptedException, TimeOutException {
}
@Override
public synchronized void unlock() {
// 如果是加锁的线程
// 将Monitor置为空闲
this.lockFlag = false;
Optional.of(Thread.currentThread().getName() + " 释放lock").ifPresent(System.out::println);
// 唤醒其他正在等待的线程
this.notifyAll();
}
@Override
public Collection<Thread> getBlockedThreads() {
// blockedThreadCollection 可能被其他线程add 或者remove,这里定义为不可变的集合类型
return Collections.unmodifiableCollection(blockedThreadCollection);
}
@Override
public int getBlockedSize() {
return blockedThreadCollection.size();
}
}
测试
package com.artisan.customLock;
import java.time.LocalTime;
import java.util.Optional;
import java.util.stream.Stream;
public class CustomLockTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CustomLock customLock = new CustomLock();
// 开启5个线程
Stream.of("T1", "T2", "T3", "T4", "T5")
.forEach(name -> new Thread(() -> {
// 加锁 处理业务
try {
// 加锁
customLock.lock();
Optional.of(Thread.currentThread().getName() + " hold the Monitor")
.ifPresent(System.out::println);
// 调用业务
work();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
// 在finally中释放锁
customLock.unlock();
}
}, name).start());
}
/**
* 模拟线程的业务逻辑
*
* @throws InterruptedException
*/
public static void work() throws InterruptedException {
Optional.of(Thread.currentThread().getName() +
" begin to work " + LocalTime.now().withNano(0)).ifPresent(System.out::println);
Thread.sleep(3_000);
}
}
日志输出:
"E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\bin\java" "-javaagent:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2017.2.4\lib\idea_rt.jar=53159:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2017.2.4\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre\lib\rt.jar;D:\IdeaProjects\mvc\target\classes" com.artisan.customLock.CustomLockTest
T1 hold the Monitor
T1 begin to work 22:19:14
T1 释放lock
T5 hold the Monitor
T5 begin to work 22:19:17
T5 释放lock
T2 hold the Monitor
T2 begin to work 22:19:20
T2 释放lock
T4 hold the Monitor
T4 begin to work 22:19:23
T4 释放lock
T3 hold the Monitor
T3 begin to work 22:19:26
T3 释放lock
Process finished with exit code 0
可以看到 确实是一个线程拿到锁后,其他线程必须等待 。
针对第二点呢: 谁加的锁,必须由谁来释放 .
我们来测试下
存在的问题
针对第二点呢: 谁加的锁,必须由谁来释放 .
我们来测试下 : 假设我们在main线程中调用了unlock方法
重新运行测试,观察日志
T1 hold the Monitor
T1 begin to work 22:24:41
main 释放lock
T5 hold the Monitor
T5 begin to work 22:24:41
T1 释放lock
T2 hold the Monitor
T2 begin to work 22:24:44
T5 释放lock
T4 hold the Monitor
T4 begin to work 22:24:44
T2 释放lock
T3 hold the Monitor
T3 begin to work 22:24:47
T4 释放lock
T3 释放lock
Process finished with exit code 0
T1拿到锁还没有工作完,就被主线程释放了,结果T5又抢到了… 很明显不对了 。
修复存在的问题
见代码
再次运行测试 ,OK
超时功能
@Override
public synchronized void lock(long timeout) throws InterruptedException, TimeOutException {
// 入参不合理,直接调用lock ,也可抛出异常
if (timeout <= 0 ) lock();
// 线程等待的剩余时间
long leftTime = timeout;
// 计算结束时间
long endTime = System.currentTimeMillis() + timeout;
while(lockFlag){
// 如果超时了,抛出异常
if (leftTime <= 0){
throw new TimeOutException(Thread.currentThread().getName() + " 超时...");
}
// 加入到blockedThreadCollection
blockedThreadCollection.add(Thread.currentThread());
// wait 指定的时间
this.wait(timeout);
// 计算是否超时
leftTime = endTime - System.currentTimeMillis();
}
// 如果空闲,将该monitor置为true
blockedThreadCollection.remove(Thread.currentThread());
this.lockFlag = true;
// 将当前线程置为lockHolderThread
this.lockHolderThread = Thread.currentThread();
}
测试超时功能
package com.artisan.customLock;
import java.time.LocalTime;
import java.util.Optional;
import java.util.stream.Stream;
public class CustomLockTest {
public static void main(String[] args) {
CustomLock customLock = new CustomLock();
// 开启5个线程
Stream.of("T1", "T2", "T3", "T4", "T5")
.forEach(name -> new Thread(() -> {
// 加锁 处理业务
try {
// 加锁 最多等待100毫秒,如果100ms,没抢到则中断执行
customLock.lock(100);
Optional.of(Thread.currentThread().getName() + " hold the Monitor")
.ifPresent(System.out::println);
// 调用业务
work();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (TimeOutException e){
Optional.of(Thread.currentThread().getName() + " timeOut")
.ifPresent(System.out::println);
}finally {
// 在finally中释放锁
customLock.unlock();
}
}, name).start());
}
/**
* 模拟线程的业务逻辑
*
* @throws InterruptedException
*/
public static void work() throws InterruptedException {
Optional.of(Thread.currentThread().getName() +
" begin to work " + LocalTime.now().withNano(0)).ifPresent(System.out::println);
Thread.sleep(3_000);
}
}
运行结果:
OK。
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