8.4 Java 8 并发教程：同步和锁 · java核心知识整理

## 同步在[上一章](https://www.kancloud.cn/imnotdown1019/java_core_full/1012270)中，我们学到了如何通过执行器服务同时执行代码。当我们编写这种多线程代码时，我们需要特别注意共享可变变量的并发访问。假设我们打算增加某个可被多个线程同时访问的整数。我们定义了`count`字段，带有`increment()`方法来使`count`加一： ~~~java int count = 0; void increment() { count = count + 1; } ~~~ 当多个线程并发调用这个方法时，我们就会遇到大麻烦： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); IntStream.range(0, 10000) .forEach(i -> executor.submit(this::increment)); stop(executor); System.out.println(count); // 9965 ~~~ 我们没有看到`count`为10000的结果，上面代码的实际结果在每次执行时都不同。原因是我们在不同的线程上共享可变变量，并且变量访问没有同步机制，这会产生[竞争条件](http://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition)。增加一个数值需要三个步骤：（1）读取当前值，（2）使这个值加一，（3）将新的值写到变量。如果两个线程同时执行，就有可能出现两个线程同时执行步骤1，于是会读到相同的当前值。这会导致无效的写入，所以实际的结果会偏小。上面的例子中，对`count`的非同步并发访问丢失了35次增加操作，但是你在自己执行代码时会看到不同的结果。幸运的是，Java自从很久之前就通过`synchronized`关键字支持线程同步。我们可以使用`synchronized`来修复上面在增加`count`时的竞争条件。 ~~~java synchronized void incrementSync() { count = count + 1; } ~~~ 在我们并发调用`incrementSync()`时，我们得到了`count`为10000的预期结果。没有再出现任何竞争条件，并且结果在每次代码执行中都很稳定： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); IntStream.range(0, 10000) .forEach(i -> executor.submit(this::incrementSync)); stop(executor); System.out.println(count); // 10000 ~~~ `synchronized`关键字也可用于语句块： ~~~java void incrementSync() { synchronized (this) { count = count + 1; } } ~~~ Java在内部使用所谓的“监视器”（monitor），也称为监视器锁（monitor lock）或内在锁（ intrinsic lock）来管理同步。监视器绑定在对象上，例如，当使用同步方法时，每个方法都共享相应对象的相同监视器。所有隐式的监视器都实现了重入（reentrant）特性。重入的意思是锁绑定在当前线程上。线程可以安全地多次获取相同的锁，而不会产生死锁（例如，同步方法调用相同对象的另一个同步方法）。 ## [](https://github.com/wizardforcel/modern-java-zh/blob/master/ch5.md#锁)锁并发API支持多种显式的锁，它们由`Lock`接口规定，用于代替`synchronized`的隐式锁。锁对细粒度的控制支持多种方法，因此它们比隐式的监视器具有更大的开销。锁的多个实现在标准JDK中提供，它们会在下面的章节中展示。 ### [](https://github.com/wizardforcel/modern-java-zh/blob/master/ch5.md#reentrantlock)`ReentrantLock` `ReentrantLock`类是互斥锁，与通过`synchronized`访问的隐式监视器具有相同行为，但是具有扩展功能。就像它的名称一样，这个锁实现了重入特性，就像隐式监视器一样。让我们看看使用`ReentrantLock`之后的上面的例子。 ~~~java ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); int count = 0; void increment() { lock.lock(); try { count++; } finally { lock.unlock(); } } ~~~ 锁可以通过`lock()`来获取，通过`unlock()`来释放。把你的代码包装在`try-finally`代码块中来确保异常情况下的解锁非常重要。这个方法是线程安全的，就像同步副本那样。如果另一个线程已经拿到锁了，再次调用`lock()`会阻塞当前线程，直到锁被释放。在任意给定的时间内，只有一个线程可以拿到锁。锁对细粒度的控制支持多种方法，就像下面的例子那样： ~~~java executor.submit(() -> { lock.lock(); try { sleep(1); } finally { lock.unlock(); } }); executor.submit(() -> { System.out.println("Locked: " + lock.isLocked()); System.out.println("Held by me: " + lock.isHeldByCurrentThread()); boolean locked = lock.tryLock(); System.out.println("Lock acquired: " + locked); }); stop(executor); ~~~ 在第一个任务拿到锁的一秒之后，第二个任务获得了锁的当前状态的不同信息。 ~~~ Locked: true Held by me: false Lock acquired: false ~~~ `tryLock()`方法是`lock()`方法的替代，它尝试拿锁而不阻塞当前线程。在访问任何共享可变变量之前，必须使用布尔值结果来检查锁是否已经被获取。 ### [](https://github.com/wizardforcel/modern-java-zh/blob/master/ch5.md#readwritelock)`ReadWriteLock` `ReadWriteLock`接口规定了锁的另一种类型，包含用于读写访问的一对锁。读写锁的理念是，只要没有任何线程写入变量，并发读取可变变量通常是安全的。所以读锁可以同时被多个线程持有，只要没有线程持有写锁。这样可以提升性能和吞吐量，因为读取比写入更加频繁。 ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); Map<String, String> map = new HashMap<>(); ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); executor.submit(() -> { lock.writeLock().lock(); try { sleep(1); map.put("foo", "bar"); } finally { lock.writeLock().unlock(); } }); ~~~ 上面的例子在暂停一秒之后，首先获取写锁来向映射添加新的值。在这个任务完成之前，两个其它的任务被启动，尝试读取映射中的元素，并暂停一秒： ~~~java Runnable readTask = () -> { lock.readLock().lock(); try { System.out.println(map.get("foo")); sleep(1); } finally { lock.readLock().unlock(); } }; executor.submit(readTask); executor.submit(readTask); stop(executor); ~~~ 当你执行这一代码示例时，你会注意到两个读任务需要等待写任务完成。在释放了写锁之后，两个读任务会同时执行，并同时打印结果。它们不需要相互等待完成，因为读锁可以安全同步获取，只要没有其它线程获取了写锁。 ### [](https://github.com/wizardforcel/modern-java-zh/blob/master/ch5.md#stampedlock)`StampedLock` Java 8 自带了一种新的锁，叫做`StampedLock`，它同样支持读写锁，就像上面的例子那样。与`ReadWriteLock`不同的是，`StampedLock`的锁方法会返回表示为`long`的标记。你可以使用这些标记来释放锁，或者检查锁是否有效。此外，`StampedLock`支持另一种叫做乐观锁（optimistic locking）的模式。让我们使用`StampedLock`代替`ReadWriteLock`重写上面的例子： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); Map<String, String> map = new HashMap<>(); StampedLock lock = new StampedLock(); executor.submit(() -> { long stamp = lock.writeLock(); try { sleep(1); map.put("foo", "bar"); } finally { lock.unlockWrite(stamp); } }); Runnable readTask = () -> { long stamp = lock.readLock(); try { System.out.println(map.get("foo")); sleep(1); } finally { lock.unlockRead(stamp); } }; executor.submit(readTask); executor.submit(readTask); stop(executor); ~~~ 通过`readLock()`或`writeLock()`来获取读锁或写锁会返回一个标记，它可以在稍后用于在`finally`块中解锁。要记住`StampedLock`并没有实现重入特性。每次调用加锁都会返回一个新的标记，并且在没有可用的锁时阻塞，即使相同线程已经拿锁了。所以你需要额外注意不要出现死锁。就像前面的`ReadWriteLock`例子那样，两个读任务都需要等待写锁释放。之后两个读任务同时向控制台打印信息，因为多个读操作不会相互阻塞，只要没有线程拿到写锁。下面的例子展示了乐观锁： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); StampedLock lock = new StampedLock(); executor.submit(() -> { long stamp = lock.tryOptimisticRead(); try { System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); sleep(1); System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); sleep(2); System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); } finally { lock.unlock(stamp); } }); executor.submit(() -> { long stamp = lock.writeLock(); try { System.out.println("Write Lock acquired"); sleep(2); } finally { lock.unlock(stamp); System.out.println("Write done"); } }); stop(executor); ~~~ 乐观的读锁通过调用`tryOptimisticRead()`获取，它总是返回一个标记而不阻塞当前线程，无论锁是否真正可用。如果已经有写锁被拿到，返回的标记等于0。你需要总是通过`lock.validate(stamp)`检查标记是否有效。执行上面的代码会产生以下输出： ~~~ Optimistic Lock Valid: true Write Lock acquired Optimistic Lock Valid: false Write done Optimistic Lock Valid: false ~~~ 乐观锁在刚刚拿到锁之后是有效的。和普通的读锁不同的是，乐观锁不阻止其他线程同时获取写锁。在第一个线程暂停一秒之后，第二个线程拿到写锁而无需等待乐观的读锁被释放。此时，乐观的读锁就不再有效了。甚至当写锁释放时，乐观的读锁还处于无效状态。所以在使用乐观锁时，你需要每次在访问任何共享可变变量之后都要检查锁，来确保读锁仍然有效。有时，将读锁转换为写锁而不用再次解锁和加锁十分实用。`StampedLock`为这种目的提供了`tryConvertToWriteLock()`方法，就像下面那样： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); StampedLock lock = new StampedLock(); executor.submit(() -> { long stamp = lock.readLock(); try { if (count == 0) { stamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); if (stamp == 0L) { System.out.println("Could not convert to write lock"); stamp = lock.writeLock(); } count = 23; } System.out.println(count); } finally { lock.unlock(stamp); } }); stop(executor); ~~~ 第一个任务获取读锁，并向控制台打印`count`字段的当前值。但是如果当前值是零，我们希望将其赋值为`23`。我们首先需要将读锁转换为写锁，来避免打破其它线程潜在的并发访问。`tryConvertToWriteLock()`的调用不会阻塞，但是可能会返回为零的标记，表示当前没有可用的写锁。这种情况下，我们调用`writeLock()`来阻塞当前线程，直到有可用的写锁。 ## [](https://github.com/wizardforcel/modern-java-zh/blob/master/ch5.md#信号量)信号量除了锁之外，并发API也支持计数的信号量。不过锁通常用于变量或资源的互斥访问，信号量可以维护整体的准入许可。这在一些不同场景下，例如你需要限制你程序某个部分的并发访问总数时非常实用。下面是一个例子，演示了如何限制对通过`sleep(5)`模拟的长时间运行任务的访问： ~~~java ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); Semaphore semaphore = new Semaphore(5); Runnable longRunningTask = () -> { boolean permit = false; try { permit = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS); if (permit) { System.out.println("Semaphore acquired"); sleep(5); } else { System.out.println("Could not acquire semaphore"); } } catch (InterruptedException e) { throw new IllegalStateException(e); } finally { if (permit) { semaphore.release(); } } } IntStream.range(0, 10) .forEach(i -> executor.submit(longRunningTask)); stop(executor); ~~~ 执行器可能同时运行10个任务，但是我们使用了大小为5的信号量，所以将并发访问限制为5。使用`try-finally`代码块在异常情况中合理释放信号量十分重要。执行上述代码产生如下结果： ~~~ Semaphore acquired Semaphore acquired Semaphore acquired Semaphore acquired Semaphore acquired Could not acquire semaphore Could not acquire semaphore Could not acquire semaphore Could not acquire semaphore Could not acquire semaphore ~~~ 信号量限制对通过`sleep(5)`模拟的长时间运行任务的访问，最大5个线程。每个随后的`tryAcquire()`调用在经过最大为一秒的等待超时之后，会向控制台打印不能获取信号量的结果。