Java 8 並發教學：同步與鎖-java教程-PHP中文網

歡迎閱讀我的 Java8 並發教學的第二部分。這份指南將會以簡單易懂的程式碼範例來教你如何在 Java8 中進行並發程式設計。這是一系列教程中的第二部分。在接下來的 15 分鐘，你將會學會如何透過同步關鍵字，鎖定和訊號量來同步存取共享可變變數。

第一部分：線程和執行器
第二部分：同步和鎖定
第三部分：原子操作和ConcurrentMap

第三部分：原子操作和ConcurrentMap

第三篇文章中展示的中心也適用於Java的舊版本，然而程式碼範例適用於Java 8，並嚴重依賴lambda 表達式和新的並發特性。如果你還不熟悉 lambda，我推薦你先閱讀我的 Java 8 教學。

出於簡單的因素，這個教程的程式碼範例使用了定義在這裡的兩個輔助函數sleep(seconds) 和 stop(executor)。

同步

在上一章中，我們學到如何透過執行器服務同時執行程式碼。當我們編寫這種多執行緒程式碼時，我們需要特別注意共享可變變數的並發存取。假設我們打算增加某個可被多個執行緒同時存取的整數。

我們定義了count字段，帶有increment()方法來使count加一：

int count = 0;

void increment() {
    count = count + 1;
}

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當多個線程並發調用這個方法時，我們就會遇到大麻煩：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

IntStream.range(0, 10000)
    .forEach(i -> executor.submit(this::increment));

stop(executor);

System.out.println(count);  // 9965

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我們沒有看到count為10000 的結果，上面程式碼的實際結果在每次執行時都不同。原因是我們在不同的執行緒上共享可變變量，並且變數存取沒有同步機制，這會產生競爭條件。

增加一個數值需要三個步驟：（1）讀取目前值，（2）使這個值加一，（3）將新的值寫到變數。如果兩個執行緒同時執行，就有可能出現兩個執行緒同時執行步驟1，於是會讀到相同的目前值。這會導致無效的寫入，所以實際的結果會偏小。在上面的例子中，對count的非同步並發存取丟失了35次增加操作，但是你在自己執行程式碼時會看到不同的結果。

幸運的是，Java自從很久之前就透過synchronized關鍵字支援執行緒同步。我們可以使用synchronized來修復上面在增加count時的競爭條件。

synchronized void incrementSync() {
    count = count + 1;
}

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在我們並發呼叫incrementSync()時，我們得到了count為10000的預期結果。沒有再出現任何競爭條件，結果在每次程式碼執行中都很穩定：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);

IntStream.range(0, 10000)
    .forEach(i -> executor.submit(this::incrementSync));

stop(executor);

System.out.println(count);  // 10000

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synchronized關鍵字也可用於語句區塊：

void incrementSync() {
    synchronized (this) {
        count = count + 1;
    }
}

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🎜Java在內部使用所謂的「監視器」（monitor），也稱為監視器鎖（monitor lock）或內在鎖（ intrinsic lock）來管理同步。監視器綁定在物件上，例如，當使用同步方法時，每個方法都會共用對應物件的相同監視器。 🎜🎜所有隱式的監視器都實現了重入（reentrant）特性。重入的意思是鎖綁定在目前執行緒上。執行緒可以安全地多次取得相同的鎖，而不會產生死鎖（例如，同步方法呼叫相同物件的另一個同步方法）。 🎜🎜鎖🎜🎜並發 API 支援多種明確的鎖，它們由Lock介面規定，用於取代synchronized的隱式鎖。鎖對細粒度的控制支援多種方法，因此它們比隱式的監視器具有更大的開銷。 🎜🎜鎖的多個實作在標準 JDK 中提供，它們會在下面的章節中展示。 🎜🎜ReentrantLock🎜🎜ReentrantLock類別是互斥鎖，與透過synchronized存取的隱式監視器具有相同行為，但具有擴充功能。就像它的名稱一樣，這個鎖實現了重入特性，就像隱式監視器一樣。 🎜🎜讓我們來看看使用ReentrantLock之後的上面的範例。 🎜

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int count = 0;

void increment() {
    lock.lock();
    try {
        count++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

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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：

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);

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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

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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。

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。

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();
    }
});

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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：

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);

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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。

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：

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);

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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：

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);

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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

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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：

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);

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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。

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：

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);

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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

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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。

这就是我的系列并发教程的第二部分。以后会放出更多的部分，所以敬请等待吧。像以前一样，你可以在Github上找到这篇文档的所有示例代码，所以请随意fork这个仓库，并自己尝试它。

我希望你能喜欢这篇文章。如果你还有任何问题，在下面的评论中向我反馈。你也可以在 Twitter 上关注我来获取更多开发相关的信息。

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