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使用Java进行多线程开发，使用锁是一个几乎不可避免的问题。今天，就让我们来聊一聊这个基础，但是又特别特别重要的话题。
首先，让我们来看一下，到底什么是锁? 以及，为什么要使用锁?
如果有2个线程，需要访问同一个对象User。一个读线程，一个写线程。User对象有2个字段，一个是名字，一个是手机号码。
当User对象刚刚创建出来的时候，姓名和手机号码都是空。然后，写线程开始填充数据。最后，就出现了以下令人心碎的一幕：
可以看到，虽然写线程先于读线程工作，但是， 由于写姓名和写电话号码两个操作不是原子的。这就导致读线程只读取了半个数据，在读线程看来，User对象的电话号码是不存在。
为了避免类似的问题，我们就需要使用锁。让写线程在修改对象前，先加锁，然后完成姓名和电话号码的赋值，再释放锁。而读线程也是一样，先取得锁，再读，然后释放锁。这样就可以避免发生这种情况。
如下图所示：
什么是重入锁?
好了，现在大家知道我们为什么要使用锁了。那什么是重入锁呢。通常情况下，锁可以用来控制多线程的访问行为。那对于同一个线程，如果连续两次对同一把锁进行lock，会怎么样了?对于一般的锁来说，这个线程就会被永远卡死在那边，比如：
- void handle() {
- lock();
- lock(); //和上一个lock()操作同一个锁对象，那么这里就永远等待了
- unlock();
- unlock();
- }
这个特性相当不好用，因为在实际的开发过程中，函数之间的调用关系可能错综复杂，一个不小心就可能在多个不同的函数中，反复调用lock()，这样的话，线程就自己和自己卡死了。
所以，对于希望傻瓜式编程的我们来说，重入锁就是用来解决这个问题的。重入锁使得同一个线程可以对同一把锁，在不释放的前提下，反复加锁，而不会导致线程卡死。因此，如果我们使用的是重入锁，那么上述代码就 可以正常工作。你唯一需要保证的，就是unlock()的次数和lock()一样多。这样是不是方便很多呢?
Java中的重入锁
Java中的锁都来自与Lock接口，如下图中红框内的，就是重入锁。
重入锁提供的最重要的方法就是lock()
- void lock()：加锁，如果锁已经被别人占用了，就无限等待。
这个lock()方法，提供了锁最基本的功能，拿到锁就返回，拿不到就等待。因此，大规模得在复杂场景中使用，是有可能因此死锁的。因此，使用这个方法得非常小心。
如果要预防可能发生的死锁，可以尝试使用下面这个方法:
- boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：尝试获取锁，等待timeout时间。同时，可以响应中断。
这是一个比单纯lock()更具有工程价值的方法，如果大家阅读过JDK的一些内部代码，就不难发现，tryLock()在JDK内部被大量的使用。
与lock()相比,tryLock()至少有下面一个好处：
- 可以不用进行无限等待。直接打破形成死锁的条件。如果一段时间等不到锁，可以直接放弃，同时释放自己已经得到的资源。这样，就可以在很大程度上，避免死锁的产生。因为线程之间出现了一种谦让机制
- 可以在应用程序这层进行进行自旋，你可以自己决定尝试几次，或者是放弃。
- 等待锁的过程中可以响应中断，如果此时，程序正好收到关机信号，中断就会触发，进入中断异常后，线程就可以做一些清理工作，从而防止在终止程序时出现数据写坏，数据丢失等悲催的情况。
当然了，当锁使用完后，千万不要忘记把它释放了。不然，程序可能就会崩溃啦~
- void unlock() ：释放锁
此外， 重入锁还有一个不带任何参数的tryLock()。
- public boolean tryLock()
这个不带任何参数的tryLock()不会进行任何等待，如果能够获得锁，直接返回true，如果获取失败，就返回false，特别适合在应用层自己对锁进行管理，在应用层进行自旋等待。
重入锁的实现原理
重入锁内部实现的主要类如下图：
重入锁的核心功能委托给内部类Sync实现，并且根据是否是公平锁有FairSync和NonfairSync两种实现。这是一种典型的策略模式。
实现重入锁的方法很简单，就是基于一个状态变量state。这个变量保存在AbstractQueuedSynchronizer对象中
- private volatile int state;
当这个state==0时，表示锁是空闲的，大于零表示锁已经被占用， 它的数值表示当前线程重复占用这个锁的次数。因此，lock()的最简单的实现是：
- final void lock() {
- // compareAndSetState就是对state进行CAS操作，如果修改成功就占用锁
- if (compareAndSetState(0, 1))
- setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
- else
- //如果修改不成功，说明别的线程已经使用了这个锁，那么就可能需要等待
- acquire(1);
下面是acquire() 的实现：
- public final void acquire(int arg) {
- //tryAcquire() 再次尝试获取锁，
- //如果发现锁就是当前线程占用的，则更新state，表示重复占用的次数，
- //同时宣布获得所成功,这正是重入的关键所在
- if (!tryAcquire(arg) &&
- // 如果获取失败，那么就在这里入队等待
- acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
- //如果在等待过程中 被中断了，那么重新把中断标志位设置上
- selfInterrupt();
公平的重入锁
默认情况下，重入锁是不公平的。什么叫不公平呢。也就是说，如果有1,2,3,4 这四个线程，按顺序，依次请求锁。那等锁可用的时候，谁会先拿到锁呢?在非公平情况下，答案是随机的。如下图所示，可能线程3先拿到锁。
如果你是一个公平主义者，强烈坚持先到先得的话，那么你就需要在构造重入锁的时候，指定这是一个公平锁：
- ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
这样一来，每一个请求锁的线程，都会乖乖的把自己放入请求队列，而不是上来就进行争抢。但一定要注意，公平锁是有代价的。维持公平竞争是以牺牲系统性能为代价的。如果你愿意承担这个损失，公平锁至少提供了一种普世价值观的实现吧!
那公平锁和非公平锁实现的核心区别在哪里呢?来看一下这段lock()的代码：
- //非公平锁
- final void lock() {
- //上来不管三七二十一，直接抢了再说
- if (compareAndSetState(0, 1))
- setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
- else
- //抢不到，就进队列慢慢等着
- acquire(1);
- }
- //公平锁
- final void lock() {
- //直接进队列等着
- acquire(1);
- }
从上面的代码中也不难看到，非公平锁如果第一次争抢失败，后面的处理和公平锁是一样的，都是进入等待队列慢慢等。
对于tryLock()也是非常类似的：
- //非公平锁
- final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
- final Thread current = Thread.currentThread();
- int c = getState();
- if (c == 0) {
- //上来不管三七二十一，直接抢了再说
- if (compareAndSetState(0, acquires)) {
- setExclusiveOwnerThread(current);
- return true;
- }
- }
- //如果就是当前线程占用了锁，那么就更新一下state，表示重复占用锁的次数
- //这是“重入”的关键所在
- else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
- //我又来了哦~~~
- int nextc = c + acquires;
- if (nextc < 0) // overflow
- throw new Error("Maximum lock count exceeded");
- setState(nextc);
- return true;
- }
- return false;
- }
- //公平锁
- protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
- final Thread current = Thread.currentThread();
- int c = getState();
- if (c == 0) {
- //先看看有没有别人在等，没有人等我才会去抢，有人在我前面 ，我就不抢啦
- if (!hasQueuedPredecessors() &&
- compareAndSetState(0, acquires)) {
- setExclusiveOwnerThread(current);
- return true;
- }
- }
- else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
- int nextc = c + acquires;
- if (nextc < 0)
- throw new Error("Maximum lock count exceeded");
- setState(nextc);
- return true;
- }
- return false;
- }
Condition
Condition可以理解为重入锁的伴生对象。它提供了在重入锁的基础上，进行等待和通知的机制。可以使用 newCondition()方法生成一个Condition对象，如下所示。
- private final Lock lock = new ReentrantLock();
- private final Condition condition = lock.newCondition();
那Condition对象怎么用呢。在JDK内部就有一个很好的例子。让我们来看一下ArrayBlockingQueue吧。ArrayBlockingQueue是一个队列，你可以把元素塞入队列(enqueue)，也可以拿出来take()。但是有一个小小的条件，就是如果队列是空的，那么take()就需要等待，一直等到有元素了，再返回。那这个功能，怎么实现呢?这就可以使用Condition对象了。
实现在ArrayBlockingQueue中，就维护一个Condition对象
- lock = new ReentrantLock(fair);
- notEmpty = lock.newCondition();
这个notEmpty 就是一个Condition对象。它用来通知其他线程，ArrayBlockingQueue是不是空着的。当我们需要拿出一个元素时:
- public E take() throws InterruptedException {
- final ReentrantLock lock = this.lock;
- lock.lockInterruptibly();
- try {
- while (count == 0)
- // 如果队列长度为0，那么就在notEmpty condition上等待了，一直等到有元素进来为止
- // 注意，await()方法，一定是要先获得condition伴生的那个lock，才能用的哦
- notEmpty.await();
- //一旦有人通知我队列里有东西了，我就弹出一个返回
- return dequeue();
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
当有元素入队时：
- public boolean offer(E e) {
- checkNotNull(e);
- final ReentrantLock lock = this.lock;
- //先拿到锁，拿到锁才能操作对应的Condition对象
- lock.lock();
- try {
- if (count == items.length)
- return false;
- else {
- //入队了， 在这个函数里，就会进行notEmpty的通知，通知相关线程，有数据准备好了
- enqueue(e);
- return true;
- }
- } finally {
- //释放锁了，等着的那个线程，现在可以去弹出一个元素试试了
- lock.unlock();
- }
- }
- private void enqueue(E x) {
- final Object[] items = this.items;
- items[putIndex] = x;
- if (++putIndex == items.length)
- putIndex = 0;
- count++;
- //元素已经放好了，通知那个等着拿东西的人吧
- notEmpty.signal();
- }
因此，整个流程如图所示：
重入锁的使用示例
为了让大家更好的理解重入锁的使用方法。现在我们使用重入锁，实现一个简单的计数器。这个计数器可以保证在多线程环境中，统计数据的精确性，请看下面示例代码：
- public class Counter {
- //重入锁
- private final Lock lock = new ReentrantLock();
- private int count;
- public void incr() {
- // 访问count时，需要加锁
- lock.lock();
- try {
- count++;
- } finally {
- lock.unlock();
- }
- }
- public int getCount() {
- //读取数据也需要加锁，才能保证数据的可见性
- lock.lock();
- try {
- return count;
- }finally {
- lock.unlock();
- }
- }
- }
总结
可重入锁算是多线程的入门级别知识点，所以我把他当做多线程系列的第一章节，对于重入锁，我们需要特别知道几点：
- 对于同一个线程，重入锁允许你反复获得通一把锁，但是，申请和释放锁的次数必须一致。
- 默认情况下，重入锁是非公平的，公平的重入锁性能差于非公平锁
- 重入锁的内部实现是基于CAS操作的。
- 重入锁的伴生对象Condition提供了await()和singal()的功能，可以用于线程间消息通信。
