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android-notes/blogs/Java/并发/Lock 和 Condition.md

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Lock 和 Condition: 隐藏在并发包中的管程
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#### 前言
Java SDK 并发包内容很丰富,包罗万象,但是我觉得最核心的还是其对管程的实现。因为理论上利用管程,你几乎可以实现并发包里所有的工具类。前面提到过,在并发编程领域,有两大核心问题:一个是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;另一个是同步,即线程之间如何进行通信、协作。这两大问题,管程都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程,其中 Lock 用于解决互斥问题,Condition 用于解决同步问题。
在介绍 Lock 之前,我们知道,synchronized 也是管程的一种实现,既然 Java 从语言层面已经实现了管程,那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢?
#### 再造管程的理由
在 Java 1.5 版本中,synchronized 性能不如 SDK 里面的 Lock,但 1.6 版本之后,synchronized 做了很多优化,将性能追了上来,所以 1.6 之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。至此,为什么还需要重复造轮子呢?
在介绍死锁的时候,提出了一个**破坏不可抢占条件**的方案,但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候,如果申请不到,线程直接进入阻塞状态了,而线程进入阻塞状态,啥都干不了,也释放不了线程已经占用的资源。
但是我们希望的是:对于 “不可抢占” 这个条件,占用部分资源的线程进一步申请其他资源时,如果申请不到,可以主动释放它占用的资源,这样不可抢占这个条件就破坏了。
那该如何去设计呢?我觉得有三种方案:
1. 能够响应中断
synchronized 的问题是,持有锁 A 后,如果尝试获取锁 B 失败,那么线程就进入阻塞状态,一旦发生死锁,就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信息,也就是说当我们给阻塞的线程发生中断信号的时候,能够唤醒它,那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占的条件了。
2. 支持超时
如果线程在一段时间之内没有获取到锁,不是进入阻塞状态,而是返回一个错误,那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
3. 非阻塞的获取锁
如果尝试获取锁失败,并不进入阻塞状态,而是直接返回,那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了,这三个方案就是重复造轮子的主要原因,体现在 API 上,就是 Lock 接口的三个方法:
```java
public interface Lock {
void lock();
//支持中断
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
//支持非阻塞获取锁
boolean tryLock();
//支持超时
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
```
#### 可见性的保证
Java SDK 里面 Lock 的使用,有一个经典的范例,就是 try{} finally{},需要重点关注的是在 finally 里面释放锁:
```java
private int value;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private void add() {
lock.lock();
try {
value++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
```
但是它是如何实现可见性的呢?它是利用了 volatile 变量的 Happens-Before 规则。ReentrantLock 用到了 AQS,AQS 里面有一个 volatile 类型的 state 的值,在加解锁的时候都会去读 state 的值。简化代码如下:
```java
class SampleLock {
volatile int state;
// 加锁
lock() {
state = 1;
}
// 解锁
unlock() {
state = 0;
}
}
```
根据相关的 Happens-Before 规则:
1. 顺序性规则
对于线程 T1,value++ Happens-Before 释放锁的操作 unlock();
2. volatile 变量规则
由于 state = 1 会先读取 state,所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作;
3. 传递性规则
线程 T1 的 value++ Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作;