Lock体系结构和读写锁机制解析

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一、Lock体系结构1、基础接口简介Lock加锁相关结构中涉及两个使用广泛的基础API：ReentrantLock类和Condition接口，基本关系如下：

Lock接口
Java并发编程中资源加锁的根接口之一，规定了资源锁使用的几个基础方法。
ReentrantLock类
实现Lock接口的可重入锁，即线程如果获得当前实例的锁，并进入任务方法，在线程没有释放锁的状态下，可以再次进入任务方法，特点：互斥排它性，即同一个时刻只有一个线程进入任务。
Condition接口
Condition接口描述可能会与锁有关联的条件变量，提供了更强大的功能，例如在线程的等待/通知机制上，Conditon可以实现多路通知和选择性通知。
2、使用案例生产消费模式
写线程向容器中添加数据，读线程从容器获取数据，如果容器为空时，读线程等待。

public class LockAPI01 {
private static Lock lock = new ReentrantLock() ;
private static Condition condition1 = lock.newCondition() ;
private static Condition condition2 = lock.newCondition() ;
public static void main(String[] args) throws Exception {
List dataList = new ArrayList<>() ;
ReadList readList = new ReadList(dataList);
WriteList writeList = new WriteList(dataList);
new Thread(readList).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
new Thread(writeList).start();
}
// 读数据线程
static class ReadList implements Runnable {
private List dataList ;
public ReadList (List dataList){
this.dataList = dataList ;
}
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
if (dataList.size() != 2){
System.out.println("Read wait...");
condition1.await();
}
System.out.println("ReadList WakeUp...");
for (String element:dataList){
System.out.println("ReadList："+element);
}
condition2.signalAll();
} catch (InterruptedException e){
e.fillInStackTrace() ;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
// 写数据线程
static class WriteList implements Runnable {
private List dataList ;
public WriteList (List dataList){
this.dataList = dataList ;
}
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
dataList.add("Java") ;
dataList.add("C++") ;
condition1.signalAll();
System.out.println("Write over...");
condition2.await();
System.out.println("Write WakeUp...");
} catch (InterruptedException e){
e.fillInStackTrace() ;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}

这个生产消费模式和生活中的点餐场景极为类似，用户下单，通知后厨烹饪，烹饪完成之后通知送餐。
顺序执行模式
既然线程执行可以互相通知，那也可以基于该机制实现线程的顺序执行，基本思路：在一个线程执行完毕后，基于条件唤醒下个线程。

public class LockAPI02 {
public static void main(String[] args) {
PrintInfo printInfo = new PrintInfo() ;
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
service.execute(new PrintA(printInfo));
service.execute(new PrintB(printInfo));
service.execute(new PrintC(printInfo));
}
}
class PrintA implements Runnable {
private PrintInfo printInfo ;
public PrintA (PrintInfo printInfo){
this.printInfo = printInfo ;
}
@Override
public void run() {
printInfo.printA ();
}
}
class PrintB implements Runnable {
private PrintInfo printInfo ;
public PrintB (PrintInfo printInfo){
this.printInfo = printInfo ;
}
@Override
public void run() {
printInfo.printB ();
}
}
class PrintC implements Runnable {
private PrintInfo printInfo ;
public PrintC (PrintInfo printInfo){
this.printInfo = printInfo ;
}
@Override
public void run() {
printInfo.printC ();
}
}
class PrintInfo {
// 控制下个执行的线程
private String info = "A";
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 三个线程，三个控制条件
Condition conditionA = lock.newCondition();
Condition conditionB = lock.newCondition();
Condition conditionC = lock.newCondition();
public void printA (){
try {
lock.lock();
while (!info.equals("A")) {
conditionA.await();
}
System.out.print("A");
info = "B";
conditionB.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void printB (){
try {
lock.lock();
while (!info.equals("B")) {
conditionB.await();
}
System.out.print("B");
info = "C";
conditionC.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void printC (){
try {
lock.lock();
while (!info.equals("C")) {
conditionC.await();
}
System.out.print("C");
info = "A";
conditionA.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

该案例经常出现在多线程的面试题中，如何实现ABC的顺序打印问题，基本思路就是基于线程的等待通知机制，但是实现方式很多，上述只是其中一种方式。
二、读写锁机制1、基础API简介重入锁的排它特性决定了性能会产生瓶颈，为了提升性能问题，JDK中还有另一套读写锁机制。读写锁中维护一个共享读锁和一个排它写锁，在实际开发中，读的场景还是偏多的，所以读写锁可以很好的提高并发性。
读写锁相关结构中两个基础API：ReadWriteLock接口和ReentrantReadWriteLock实现类，基本关系如下：

ReadWriteLock
提供两个基础方法，readLock获取读机制锁，writeLock获取写机制锁。
ReentrantReadWriteLock
接口ReadWriteLock的具体实现，特点：基于读锁时，其他线程可以进行读操作，基于写锁时，其他线程读、写操作都禁止。
2、使用案例读写分离模式
通过读写锁机制，分别向数据容器Map中写入数据和读取数据，以此验证读写锁机制。

public class LockAPI03 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
DataMap dataMap = new DataMap() ;
Thread read = new Thread(new GetRun(dataMap)) ;
Thread write = new Thread(new PutRun(dataMap)) ;
write.start();
Thread.sleep(2000);
read.start();
}
}
class GetRun implements Runnable {
private DataMap dataMap ;
public GetRun (DataMap dataMap){
this.dataMap = dataMap ;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("GetRun："+dataMap.get("myKey"));
}
}
class PutRun implements Runnable {
private DataMap dataMap ;
public PutRun (DataMap dataMap){
this.dataMap = dataMap ;
}
@Override
public void run() {
dataMap.put("myKey","myValue");
}
}
class DataMap {
Map dataMap = new HashMap<>() ;
ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock() ;
Lock readLock = rwLock.readLock() ;
Lock writeLock = rwLock.writeLock() ;
// 读取数据
public String get (String key){
readLock.lock();
try{
return dataMap.get(key) ;
} finally {
readLock.unlock();
}
}
// 写入数据
public void put (String key,String value){
writeLock.lock();
try{
dataMap.put(key,value) ;
System.out.println("执行写入结束...");
Thread.sleep(10000);
} catch (Exception e) {
System.out.println("Exception...");
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
}

说明：当put方法一直在睡眠状态时，因为写锁的排它性质，所以读方法是无法执行的。
三、基础工具类LockSupport简介
LockSupprot定义一组公共静态方法，这些方法提供最基本的线程阻塞和唤醒功
能。
基础方法
park()：当前线程阻塞，当前线程被中断或调用unpark方法，park()方法中返回；
park(Object blocker)：功能同park()，传入Object对象，记录导致线程阻塞的阻塞对象，方便问题排查；
parkNanos(long nanos)：指定时间nanos内阻塞当前线程，超时返回；
unpark(Thread thread)：唤醒指定处于阻塞状态的线程；
代码案例
该流程在购物APP上非常常见，当你准备支付时放弃，会有一个支付失效，在支付失效期内可以随时回来支付，过期后需要重新选取支付商品。

public class LockAPI04 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
OrderPay orderPay = new OrderPay("UnPaid") ;
Thread orderThread = new Thread(orderPay) ;
orderThread.start();
Thread.sleep(3000);
orderPay.changeState("Pay");
LockSupport.unpark(orderThread);
}
}
class OrderPay implements Runnable {
// 支付状态
private String orderState ;
public OrderPay (String orderState){
this.orderState = orderState ;
}
public synchronized void changeState (String orderState){
this.orderState = orderState ;
}
@Override
public void run() {
if (orderState.equals("UnPaid")){
System.out.println("订单待支付..."+orderState);
LockSupport.park(orderState);
}
System.out.println("orderState="+orderState);
System.out.println("订单准备发货...");
}
}

这里基于LockSupport中park和unpark控制线程状态，实现的等待通知机制。

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