2 Lock 接口

2.1 Synchronized

2.1.1 Synchronized 关键字回顾

synchronized 是 Java 中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；

虽然可以使用 synchronized 来定义方法，但 synchronized 并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized 关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了 synchronized 关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized 关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。

修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；
修改一个类，其作用的范围是 synchronized 后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

2.1.2 售票案例

class Ticket {
 //票数
 private int number = 30;
 //操作方法：卖票
 public synchronized void sale() {
 //判断：是否有票
 if(number > 0) {
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+(number--)+" "+number);
 }
 }
}

如果一个代码块被 synchronized 修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
线程执行发生异常，此时 JVM 会让线程自动释放锁。

那么如果这个获取锁的线程由于要等待 IO 或者其他原因（比如调用 sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。

因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过 Lock 就可以办到。

2.2 什么是 Lock

Lock 锁实现提供了比使用同步方法和语句可以获得的更广泛的锁操作。它们允许更灵活的结构，可能具有非常不同的属性，并且可能支持多个关联的条件对象。Lock 提供了比 synchronized 更多的功能。

Lock 与的 Synchronized 区别:

Lock 不是 Java 语言内置的，synchronized 是 Java 语言的关键字，因此是内置特性。Lock 是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
Lock 和 synchronized 有一点非常大的不同，采用 synchronized 不需要用户去手动释放锁，当 synchronized 方法或者 synchronized 代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而 Lock 则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

2.2.1 Lock 接口

public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}

下面来逐个讲述 Lock 接口中每个方法的使用

2.2.2 lock

lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

采用 Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用 Lock 必须在 try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally 块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用 Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

lock.lock();
try{
	//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
	lock.unlock(); //释放锁
}

2.2.3 newCondition

关键字 synchronized 与 wait()/notify()这两个方法一起使用可以实现等待/通知模式， Lock 锁的 newContition()方法返回 Condition 对象，Condition 类也可以实现等待/通知模式。

用 notify()通知时，JVM 会随机唤醒某个等待的线程，使用 Condition 类可以进行选择性通知，Condition 比较常用的两个方法：

await()会使当前线程等待,同时会释放锁,当其他线程调用 signal()时,线程会重新获得锁并继续执行。
signal()用于唤醒一个等待的线程。

注意：在调用 Condition 的 await()/signal()方法前，也需要线程持有相关的 Lock 锁，调用 await()后线程会释放这个锁，在 singal()调用后会从当前Condition 对象的等待队列中，唤醒一个线程，唤醒的线程尝试获得锁，一旦获得锁成功就继续执行。

2.3 ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念将在后面讲述。

ReentrantLock 是唯一实现了 Lock 接口的类，并且 ReentrantLock 提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用.

public class Test {
private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new Thread(){
public void run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
} 
public void insert(Thread thread) {
Lock lock = new ReentrantLock(); //注意这个地方
lock.lock();
try {
System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
for(int i=0;i<5;i++) {
arrayList.add(i);
}
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}finally {
System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
lock.unlock();
}
}
}

2.4 ReadWriteLock

ReadWriteLock 也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

public interface ReadWriteLock {
 /**
 * Returns the lock used for reading.
 *
 * @return the lock used for reading.
 */
 Lock readLock();
 /**
 * Returns the lock used for writing.
 *
 * @return the lock used for writing.
 */
 Lock writeLock();
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成 2 个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口。

假设有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁，反之同理

读可以被多个线程一起读，写只可以被一个线程写。

2.5 小结(重点)

Lock 和 synchronized 有以下几点不同：

Lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 中的关键字，synchronized 是内置的语言实现；
synchronized 在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock 在发生异常时，如果没有主动通过 unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁；
Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时 Lock 的性能要远远优于synchronized。

3 线程间通信

线程间通信的模型有两种：共享内存和消息传递，以下方式都是基本这两种模型来实现的。我们来基本一道面试常见的题目来分析

场景—两个线程，一个线程对当前数值加 1，另一个线程对当前数值减 1,要求 用线程间通信

3.1 synchronized 方案

//第一步 创建资源类，定义属性和操作方法
class Share {
    //初始值
    private int number = 0;
    //+1的方法
    public synchronized void incr() throws InterruptedException {
        //第二步 判断 干活 通知
       if(number != 0) { //判断number值是否是0，如果不是0，等待
            this.wait(); //在哪里睡，就在哪里醒
        }
        //如果number值是0，就+1操作
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
        //通知其他线程
        this.notifyAll();
    }

    //-1的方法
    public synchronized void decr() throws InterruptedException {
        //判断
        if(number != 1) {
            this.wait();
        }
        //干活
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
        //通知其他线程
        this.notifyAll();
    }
}

public class ThreadDemo1 {
    //第三步 创建多个线程，调用资源类的操作方法
    public static void main(String[] args) {
        Share share = new Share();
        //创建线程
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.incr(); //+1
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"AA").start();

        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.decr(); //-1
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"BB").start();
    }
}

运行截图

在这里插入图片描述

如果使用多个线程，添加额外两个线程，且操作要依次执行

new Thread(()->{
    for (int i = 1; i <=10; i++) {
        try {
            share.incr(); //+1
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
},"CC").start();

new Thread(()->{
    for (int i = 1; i <=10; i++) {
        try {
            share.decr(); //-1
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
},"DD").start();

但截图是

在这里插入图片描述

主要是虚拟唤醒导致：如果一个线程执行完毕后，通知其他线程，该线程又进入等待睡眠，可能会因为某些原因被唤醒后，if结构的语句就不会判断了，一直往下执行，所以需要将if换成while结构，每次都判断。因为wait在哪里睡眠就在哪里被唤醒，结果被某个异常唤醒了后回不去了，if结构不会在判断了，需要更改为while

while(number != 0) { //判断number值是否是0，如果不是0，等待
    this.wait(); //在哪里睡，就在哪里醒
}

3.2 Lock 方案

使用lock先要创建锁的对象以及通知的对象;放置在资源类中

//创建Lock
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();

上锁lock.lock();
解锁lock.unlock();
以下都为condition类：
唤醒所有等待的线程signalAll()，带上类名condition.signalAll();
唤醒一个等待线程signal()，带上类名，condition.signal();
造成当前线程在接到信号或者被中断之前一直处于等待状态await()，带上类名，condition.await();

同样是上面的案例题目换成lock
比如一个加1操作

//+1
public void incr() throws InterruptedException {
    //上锁
    lock.lock();
    try {
        //判断
        while (number != 0) {
            condition.await();
        }
        //干活
        number++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
        //通知
        condition.signalAll();
    }finally {
        //解锁
        lock.unlock();
    }
}

具体完整的代码示列
一般调用资源类的方法，先调用，在idea中使用快捷键抛出异常

//第一步 创建资源类，定义属性和操作方法
class Share {
    private int number = 0;

    //创建Lock
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    //+1
    public void incr() throws InterruptedException {
        //上锁
        lock.lock();
        try {
            //判断
            while (number != 0) {
                condition.await();
            }
            //干活
            number++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
            //通知
            condition.signalAll();
        }finally {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
    }

    //-1
    public void decr() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while(number != 1) {
                condition.await();
            }
            number--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+number);
            condition.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class ThreadDemo2 {

    public static void main(String[] args) {
        Share share = new Share();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.incr();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"AA").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.decr();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"BB").start();

        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.incr();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"CC").start();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    share.decr();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"DD").start();
    }

}

3.3 线程间定制化通信

所谓定制化通信，需要让线程进行一定的顺序操作

3.3.1 案例介绍

问题: A 线程打印 5 次 A，B 线程打印 10 次 B，C 线程打印 15 次 C,按照此顺序循环 10 轮

具体思路：
每个线程添加一个标志位，是该标志位则执行操作，并且修改为下一个标志位，通知下一个标志位的线程

创建一个可重入锁private Lock lock = new ReentrantLock();
分别创建三个开锁通知private Condition c1 = lock.newCondition();

在这里插入图片描述

具体资源类中的A线程代码操作
上锁，（执行具体操作（判断、操作、通知），解锁）放于try、finally

public void print5(int loop) throws InterruptedException {
    //上锁
    lock.lock();
    try {
        //判断
        while(flag != 1) {
            //等待
            c1.await();
        }
        //干活
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
        }
        //通知
        flag = 2; //修改标志位 2
        c2.signal(); //通知BB线程
    }finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

资源类的其他线程操作也同理

具体完整代码

//第一步 创建资源类
class ShareResource {
    //定义标志位
    private int flag = 1;  // 1 AA     2 BB     3 CC

    //创建Lock锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    //创建三个condition
    private Condition c1 = lock.newCondition();
    private Condition c2 = lock.newCondition();
    private Condition c3 = lock.newCondition();

    //打印5次，参数第几轮
    public void print5(int loop) throws InterruptedException {
        //上锁
        lock.lock();
        try {
            //判断
            while(flag != 1) {
                //等待
                c1.await();
            }
            //干活
            for (int i = 1; i <=5; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
            }
            //通知
            flag = 2; //修改标志位 2
            c2.signal(); //通知BB线程
        }finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

    //打印10次，参数第几轮
    public void print10(int loop) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while(flag != 2) {
                c2.await();
            }
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
            }
            //修改标志位
            flag = 3;
            //通知CC线程
            c3.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    //打印15次，参数第几轮
    public void print15(int loop) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while(flag != 3) {
                c3.await();
            }
            for (int i = 1; i <=15; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" :: "+i+" ：轮数："+loop);
            }
            //修改标志位
            flag = 1;
            //通知AA线程
            c1.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class ThreadDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        ShareResource shareResource = new ShareResource();
        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    shareResource.print5(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"AA").start();

        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    shareResource.print10(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"BB").start();

        new Thread(()->{
            for (int i = 1; i <=10; i++) {
                try {
                    shareResource.print15(i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"CC").start();
    }
}