Java线程知识总结（四）：ReentrantLock & ReentrantReadWriteLock

文章目录

• 1、类继承关系
• 2、ReentrantLock
• 2.1、ReentrantLock数据结构与算法
• 2.2、Condition
• 3、ReentrantLock与synchronized对比
• 4、ReentrantReadWrite
• 4.1、读写锁算法
• 4.2、AQS 抽象队列同步器

1、类继承关系

接口：Lock，ReadWriteLock
实现：ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock
Lock API：JDK提供，在J.U.C的包中

• Lock接口简介
  
  lock方法可以通过自旋tryLock进行实现

2、ReentrantLock

ReentrantLock：可重入锁

2.1、ReentrantLock数据结构与算法

• 数据结构：
  owner：相当于synchronized的object monitor中的owner，用于存储当前抢到锁的线程
  count：计数器，用于实现可重入功能
  waiter：相当于synchronized的object monitor中的EntryList，抢不到锁的线程就会进入waiter，并且线程被挂起
• lock算法：

1. 查看count是否为0，如果为null，则CAS(0, 1)修改count，CAS成功后，将owner设置为当前线程（设置owner不需要CAS）
2. 如果count不为0，说明等待队列，判断owner是否为当前线程，count自增（count自增不需要CAS）
3. 如果以上不满足，则说明抢不到锁，进入waiter，并且挂起当前线程

• unlock算法：

1. 判断owner是否为当前线程，如果不是，直接throw IllegalMonitorStateException
2. 如果owner是当前线程，count自减，如果count不为0，则锁还没有释放
3. 如果count已经为0，则说明锁成功释放，并把owner置为null（可以用CAS），并唤醒waiter中的第一个线程

2.2、Condition

Condition对象可以通过ReentrankLock的newCondition创建，提供await()以及signa()方法，功能类似于wait/notify。
Condition.await()/signal() 与wait/notify的区别:
相同点：

• wait/notify必须在synchronized中使用，wait挂起线程且释放锁
• 通过lock.newCondition()获取Condition对象await()也会挂起线程且释放锁，会被放入ReentrantLock的“WaitSet”

不同点：

• wait/notify，一个synchronized中只有调用一个
• lock接口里面，一个lock可以有多个condition（即ReentrantLock可以多次调用newCondition()，创建多个Condition对象，每个Condition都是独立的，不会相互影响）

3、ReentrantLock与synchronized对比

• 性能上差异：
  单线程的情况下synchronized比Lock性能要好 -> 偏向锁，锁消除
  上升到重量级锁的时候synchronized和Lock算法一样
• synchronized：StringBuilder要使用synchronized，大多数情况下在单线程下使用
  • 优点：
    • 使用简单，语义清晰，哪里需要点哪里
    • 由JVM提供，提供了多种优化方案（锁粗化，锁消除，偏向锁，轻量级锁）
    • 锁的释放由JVM来完成，不用人工干预，也降低了死锁的可能性
  • 缺点：
    • 无法实现一些锁的高级功能。ex.公平锁，中断锁，读写锁，共享锁等
• Lock
  • 优点：
    • 所有synchronized的缺点
    • 可以实现更多功能，让synchronized缺点更多
  • 缺点：
    • 需要手动解锁unlock，新手使用不当可能造成死锁

4、ReentrantReadWrite

4.1、读写锁算法

• 写锁lock算法：

1. 判断readCount是否为0，如果不为0，则说明读锁被占用，线程进入waiter
2. 如果readCount为0，则判断writeCount是否为0，如果不为1，则判断owner是否为当前线程，是的话，writeCount自增（写锁重入）
3. 如果writeCount为0，则CAS(0, 1)，成功说明抢占写锁，并修改owner为当前线程
4. CAS不成功，说明没有成功抢锁，则进入waiter等待队列

• 写锁unlock算法：

1. 判断owner是否为当前线程，如果是，则writeCount自减
2. 判断writeCount是否为0，如果为0，则说明释放写锁成功，设置owner为null。再判断readCount是否为0，如果不为0，则说明锁降级，不唤醒waiter头节点线程；否则唤醒waiter的头节点线程
3. 如果writeCOunt不为0，则说明写锁还没有被释放

• 读锁lock算法：读锁抢占成功会唤醒waiter的头节点线程

1. 判断writeCount是否为0，如果writeCount为0，则判断readCount是否为0，如果为0，则CAS(0,1)，如果不为0，则readCount自增，且唤醒waiter的头节点线程
2. 如果writeCount不为0，则判断owner是否为当前线程，如果为当前线程，则readCount自增，且唤醒waiter的头节点线程
3. 如果writeCount不为0，且owner不为当前线程，则进入waiter并挂起当前线程

• 读锁unlock算法：

1. readCount自减，判断readCount是否为0，如果为0，说明读锁释放成功，唤醒waiter头节点线程
2. 如果readCount不为0，则说明仍有其他线程在占用读锁，不进行其他操作

• 锁降级：（读写锁，没有锁升级，读取了读锁之后，不可以读取写锁）

1. Thread1加写锁 -> 写锁
2. Thread1加读锁 -> 写锁，读锁
3. Thread1释放写锁 -> 读锁（由写锁降级为读锁，其他线程可以加读锁）

4.2、AQS 抽象队列同步器

AQS根据ReentrantReadWriteLock算法，使用模板方法进行了实现。子类可以通过复写AQS的各个方法，实现不同的功能。
（try的方法都由子类进行实现）

• tryAcquire == 写锁tryLock
• tryRelease == 写锁tryUnlock
• tryAcquireShared == 读锁tryLock
• tryReleaseShared == 读锁tryUnlock

ps. AQS通过一个state实现了上述的readCount和writeCount，用前16位实现了readCount，后16位实现writeCount。目的是保证原子性操作。

通过AQS实现的并发工具类：

• CountDownLatch
• Semaphore计数信号量
• CyclicBarrier：循环栅栏
• FutureTask：用于获取线程的执行结果