《Java高并发程序设计》学习 --3.1多线程的团队协作：同步控制

1）synchronized的功能扩展：重入锁
重入锁可以完全替代synchronized关键字。在JDK5.0的早期版本，重入锁的性能远远好于synchronized，但从JDK6.0开始，JDK在synchronized上做了大量的优化，使得两者的性能差距并不大。
重入锁使用java.util.concurrent.locks.ReentrantLock类来实现，如下代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReenterLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static int i = 0;
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
lock.lock();
try {
i++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReenterLock tl = new ReenterLock();
Thread t1 = new Thread(tl);
Thread t2 = new Thread(tl);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}

与synchronized相比，重入锁有着显示的操作过程。开发人员必须手动指定何时加锁，何时释放锁。重入锁对逻辑控制的灵活性要远远好于synchronized。但值得注意的是，在退出临界区时，必须记得释放锁，否则，其他线程就没有机会访问临界区了。这种锁是可以反复进入的。
中断响应
重入锁可以提供中断处理的能力。对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种情况，那么它获得这把锁继续执行，要么它就保持等待。而使用重入锁，则提供另外一种可能，那就是线程可以被中断。也就是在等待的过程中，程序可以根据需要取消对锁的请求。下面的代码产生了一个死锁，但得益于锁中断，可以轻易地解决这个死锁。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class IntLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
public IntLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
if(lock == 1) {
lock1.lockInterruptibly();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
lock2.lockInterruptibly();
}
} else {
lock2.lockInterruptibly();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
lock1.lockInterruptibly();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if(lock1.isHeldByCurrentThread())
lock1.unlock();
if(lock2.isHeldByCurrentThread())
lock2.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getId()+":线程退出");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
IntLock r1 = new IntLock(1);
IntLock r2 = new IntLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread
103a1
t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(1000);
t2.interrupt();
}
}

线程t1和t2启动后，t1先占用lock1，再请求lock2；t2先占用lock2，再请求lock1。因此，很容易形成t1和t2之间的相互等待。这里，对锁的请求，统一用lockInterruptibly()方法。这是一个可以对中断进行响应的锁申请动作，即在等待锁的过程中，可以响应中断。Thread.sleep(1000)表示主线程main处于休眠，此时，两个线程处于死锁状态；t2.interrupt()表示t2线程被中断，故t2会放弃对lock1的申请，同时释放lock2。这个操作导致t1线程可以顺利得到lock2而继续执行下去。
锁申请等待限时。
除了等待外部通知之外，要避免死锁还有另外一种方法，那就是限时等待。

public class TimeLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
try {
if(lock.tryLock(5,TimeUnit.SECONDS)) {
Thread.sleep(6000);
} else {
System.out.println("get lock failed");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if(lock.isHeldByCurrentThread())
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
TimeLock tl = new TimeLock();
Thread t1 = new Thread(tl);
Thread t2 = new Thread(tl);
t1.start();
t2.start();
}
}

在这里，tryLock()方法接收两个参数，一个表示等待时长，另外一个表示计时单位。这里的单位设置为秒，时长为5，表示线程在这个锁请求中，最多等待5秒。如果超过5秒还没有得到锁，就会返回false。如果成功获得锁，则返回true。
在本例中，由于占用锁的线程会持有锁长达6秒，故另一个线程无法在5秒的等待时间内获得锁，因此，请求会失败。
ReentrantLock.tryLock()方法也可以不带参数直接运行。在这种情况下，当前线程会尝试获得锁，如果锁并未被其他线程占用，则申请锁会成功，并立即返回true。如果锁被其他线程占用，则当前线程不会进行等待，而是立即返回false。这种模式不会引起线程等待，因此也不会产生死锁。下面演示了这种使用方式：

public class TryLock implements Runnable {
public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
int lock;
public TryLock(int lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
if(lock == 1) {
while(true) {
if(lock1.tryLock()) {
try {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {

}
if(lock2.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":My Job done");
return;
} finally {
lock2.unlock();
}
}
} finally {
lock1.unlock();
}
}
}
} else {
while(true) {
if(lock2.tryLock()) {
try {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
}
if(lock1.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":My Job done");
return;
} finally {
lock1.unlock();
}
}
} finally {
lock2.unlock();
}
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
TryLock r1 = new TryLock(1);
TryLock r2 = new TryLock(2);
Thread t1 = new Thread(r1);
Thread t2 = new Thread(r2);
t1.start();
t2.start();
}
}

上述代码中，采用了非常容易死锁的加锁顺序。但是使用tryLock()后，这种情况大大改善了。由于线程不会傻傻地等待，而是不停地尝试，因此，只要执行足够长的时间，线程总是会得到所有需要的资源，从而正常执行。
公平锁
如果使用synchronized关键字进行锁控制，那么产生的锁就是非公平的。而重用锁允许我们对其公平性进行设置。它有一个如下的构造函数：
public Reentrantlock(bool fair)
当参数fair为true时，表示锁是公平的。
下面的代码可以很好地突出公平锁的特点：

public class FairLock implements Runnable {
public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
fairLock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁");
} finally {
fairLock.unlock();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
FairLock r1 = new FairLock();
Thread t1 = new Thread(r1,"Thread_t1");
Thread t2 = new Thread(r1,"Thread_t2");
t1.start();
t2.start();
}

}

对于ReentrantLock的几个重要方法整理如下：
lock()：获得锁，如果锁已经被占用，则等待。
lockInterruptibly()：获得锁，但优先响应中断。
tryLock()：尝试获得锁，如果成功，返回true，失败返回false。该方法不等待，立即返回。
tryLock(long time,TimeUnit unit)：在给定时间内尝试获得锁。
unlock()：释放锁。
在重入锁的实现中，主要包含三个要素：
第一，是原子状态。原子状态使用CAS操作来存储当前锁的状态，判断锁是否已经被别的线程持有。
第二，是等待队列。所有没有请求到锁的线程，会进入等待队列进行等待。待有线程释放锁后，系统就能从等待队列中唤醒一个线程，继续工作。
第三，是阻塞原语park()和unpark()，用来挂起和恢复线程。没有得到锁的线程将会被挂起。

2）重入锁的好搭档：Condition条件
它和wait()和notify()方法的作用是大致相同的。但是wait()和notify()方法是和synchronized关键字合作使用的，而Condition是与重入锁相关联的。通过Lock()接口的Condition newCondition()方法可以生成一个与当前重入锁绑定的Condition实例。利用Condition对象，我们就可以让线程在合适的时间等待，或者在某一个特定的时刻得到通知，继续执行。
Condition接口提供的基本方法如下：

void await() throws InterruptedException；
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();

以上方法的含义如下：
await()方法会使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用signal()或者signalAll ()方法时，线程会重新获得锁并继续执行。或者当线程被中断时，也能跳出等待。这和Object.wait()方法很相似。
awaitUninterruptibly()方法与await()方法基本相同，但是它并不会在等待过程中响应中断。
signal()方法用于唤醒一个在等待中的线程。相对于signalAll()方法会唤醒所有在等待中的线程。这和Object.notify()方法很类似。
下面代码简单地演示了Condition的功能：

public class ReenterLockCondition implements Runnable {
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static Condition condition = lock.newCondition();
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
condition.await();
System.out.println("Thread is going on");
} catch (InterruptedException e) {
// TODO: handle exception
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReenterLockCondition tl = new ReenterLockCondition();
Thread t1 = new Thread(tl);
t1.start();
Thread.sleep(2000);
lock.lock();
condition.signal();
lock.unlock();
}
}

当线程使用Condition.await()时，要求线程持有相关的重入锁，在Condition.await()调用后，这个线程会释放这把锁。同理，在Condition.siginal()方法调用时，也要求线程先获得相关的锁。在signal()方法调用后，系统会从当前Condition对象的等待队列中，唤醒一个线程。一旦线程被唤醒，它会重新尝试获得与之绑定的重入锁，一旦成功获取，就可以继续执行。

3）允许多个线程同时访问：信号量(Semaphore)
信号量为多线程协作提供了更为强大的控制方法。信号量可以指定多个线程，同时访问某一资源。信号量主要提供了以下构造函数：
public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair)
在构造信号量对象时，必须要指定信号量的准入数，即同时能申请多少个许可。当每个线程每次只申请一个许可时，这就相当于制定了同时有多少个线程可以访问某一个资源。信号量的主要逻辑方法有：
public void acquire()
public void acquireUninterruptibly()
tryAcquire()
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
public void release()
acquire()方法尝试获得一个准入的许可。若无法获得，则线程会等待，直到有线程释放一个许可后者当前线程被中断。acquireUninterruptibly()方法和acquire()方法类似，但是不响应中断。tryAcquire()尝试获得一个许可，如果成功返回true，失败则返回false，它不会进行等待，立即返回。release()用于在线程访问资源结束后，释放一个许可，以使其他等待许可的线程可以进行资源访问。

4）ReadWriteLock 读写锁
ReadWriteLock是JDK5中提供的读写分离锁。读写分离锁可以有效地帮助减少锁竞争，以提升系统性能。
读写锁的访问约束如下表所示。

	读	写
读	非阻塞	阻塞
写	阻塞	阻塞

代码示例如下：

public class ReadWriteLockDemo {
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
private int value;
public Object handleRead(Lock lock) throws InterruptedException {
try {
//模拟读操作
lock.lock();
Thread.sleep(1000);
return value;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void handleWrite(Lock lock,int index) throws InterruptedException {
try {
//模拟写操作
lock.lock();
Thread.sleep(1000);
value = index;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
final ReadWriteLockDemo demo = new ReadWriteLockDemo();
Runnable readRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
demo.handleRead(readLock);
demo.handleRead(lock);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
Runnable writeRunnable = new Runnable() {
public void run() {
try {
demo.handleWrite(writeLock, new Random().nextInt());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
for(int i=0; i<18; i++) {
new Thread(readRunnable).start();
}
for(int i=18; i<20; i++) {
new Thread(writeRunnable).start();
}
}
}

5）倒计时器：CountDownLatch
这个工具通常用来控制线程等待，它可以让某一个线程等待直到倒计时结束，再开始执行。CountDownLatch的构造函数接收一个整数作为参数，即当前这个计数器的计数个数。下面的例子演示了CountDownLatch的使用。

public class CountDownLatchDemo implements Runnable {
static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
static final CountDownLatchDemo demo = new CountDownLatchDemo();
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(new Random().nextInt(10)*1000);
System.out.println("check complete");
end.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
exec.submit(demo);
}
end.await();
System.out.println("Fire!");
exec.shutdown();
}
}

6）循环栅栏：CyclicBarrier

 CyclicBarrier初始化时规定一个数目，然后计算调用了CyclicBarrier.await()进入等待的线程数。当线程数达到了这个数目时，所有进入等待状态的线程被唤醒并继续。 

 CyclicBarrier就象它名字的意思一样，可看成是个障碍， 所有的线程必须到齐后才能一起通过这个障碍。 

 CyclicBarrier初始时还可带一个Runnable的参数， 此Runnable任务在CyclicBarrier的数目达到后，所有其它线程被唤醒前被执行。
在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await方法之前，将一直等待。如果当前线程不是将到达的最后一个线程，出于调度目的，将禁用它，且在发生以下情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：

最后一个线程到达；或者

其他某个线程中断当前线程；或者

其他某个线程中断另一个等待线程；或者

其他某个线程在等待 barrier 时超时；或者

其他某个线程在此 barrier 上调用 reset()。
下面的示例使用CyclicBarrier演示了司令命令士兵完成任务的场景：

public class CyclicBarrierDemo {
public static class Soldier implements Runnable {
private String soldier;
private final CyclicBarrier cyclic;
Soldier(CyclicBarrier cyclic, String soldierName) {
this.cyclic = cyclic;
this.soldier = soldierName;
}
@Override
public void run() {
try {
cyclic.await();
doWork();
cyclic.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}
void doWork() {
try {
Thread.sleep(Math.abs(new Random().nextInt()%10000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(soldier + ":任务完成");
}
}
public static class BarrierRun implements Runnable {
boolean flag;
int N;
public BarrierRun(boolean flag, int N) {
this.flag = flag;
this.N = N;
}
@Override
public void run() {
if(flag) {
System.out.println("司令：[士兵" + N + "个，任务完成！]");
} else {
System.out.println("司令：[士兵" + N + "个，集合完毕!]");
flag = true;
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final int N = 10;
Thread[] allSoldier = new Thread
;
boolean flag = false;
CyclicBarrier cyclic = new CyclicBarrier(N, new BarrierRun(flag, N));

System.out.println("集合队伍！");
for (int i = 0; i < N; i++) {
System.out.println("士兵" + i + "报道！");
allSoldier[i] = new Thread(new Soldier(cyclic, "士兵" + i));
allSoldier[i].start();
}
}
}

如果当前线程：

在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者

在等待时被中断
则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。如果在线程处于等待状态时 barrier 被 reset()，或者在调用 await 时 barrier 被损坏，抑或任意一个线程正处于等待状态，则抛出BrokenBarrierException 异常。
如果任何线程在等待时被中断，则其他所有等待线程都将抛出 BrokenBarrierException 异常，并将 barrier 置于损坏状态。

7）线程阻塞工具类：LockSupport
LockSupport是一个非常方便实用的线程阻塞工具，它可以在线程内任意位置让线程阻塞。和Thread.suspend()相比，它弥补了由于resume()在前发生，导致线程无法继续执行的情况。和Object.wait()相比，它不需要先获得某个对象的锁，也不会抛出InterruptedException异常。
LockSupport的静态方法park()可以阻塞当前线程，类似的还有parkNanos()、parkUntil()等方法。他们实现了一个限时的等待。
LockSupport类使用类似信号量的机制。它为每一个线程准备了一个许可，如果许可可用，那么park()函数会立即返回，并且消费这个许可(也就是将许可变为不可用)，如果许可不可用，就会阻塞。
示例代码如下：

public class LockSupportDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
static ChangeObjectThread t2 = new ChangeObjectThread("t2");

public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super.setName(name);
}
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName());
LockSupport.park();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
t1.start();
Thread.sleep(100);
t2.start();
LockSupport.unpark(t1);
LockSupport.unpark(t2);
t1.join();
t2.join();
}
}

除了有定时阻塞的功能外，LockSupport.park()还能支持中断影响。但是和其他接收中断的函数很不一样，LockSupport.park()不会抛出InterruptedException异常。它只是会默默的返回，但是我们可以从Thread.interrupted()等方法中断标记。

public class LockSupportIntDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
static ChangeObjectThread t2 = new ChangeObjectThread("t2");
public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super.setName(name);
}
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName());
LockSupport.park();
if(Thread.interrupted()) {
System.out.println(getName() + "被中断了");
}
}
System.out.println(getName()+"执行结束");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
t1.start();
Thread.sleep(100);
t2.start();
t1.interrupt();
LockSupport.unpark(t2);
}
}