【转】Java并发编程:Lock

  在上一篇文章中我们讲到了如何使用关键字synchronized来实现同步访问。本文我们继续来探讨这个问题,从Java 5之后,在java.util.concurrent.locks包下提供了另外一种方式来实现同步访问,那就是Lock。

  也许有人会问,既然都可以通过synchronized来实现同步访问,那么为什么还需要提供Lock?这个问题将在下面进行阐述。本文先从synchronized的缺陷讲起,然后再讲述java.util.concurrent.locks包下常用的有哪些类和接口,最后讨论一下一些关于锁的概念方面的东西。

一、synchronized的缺陷

  synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢?

  在上面一篇文章中,我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其它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:

  1)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;

  2)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或者其它原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其它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。

  再举个例子:当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象

  但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:

  如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其它线程只能等待无法进行读操作。

  因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。

  另外,通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的

  总结一下,也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:

  1)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;

  2)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

二、java.util.concurrent.locks包下常用的类

  下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。

1、Lock

  首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:

1 public interface Lock {
2     void lock();
3     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
4     boolean tryLock();
5     boolean tryLock(long time,TimeUnit unit) throws InterruptedException;
6     void unlock();
7     Condition newCondition();
8 }

  下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用,lock()tryLock()tryLock(long time,TimeUnit unit)lockInterruptibly()是用来获取锁的。

  unlock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述,会在后面的线程协作一文中讲述。

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

  在前面讲到如果采用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finnally块中进行,以保证锁一定被释放,防止死锁的发生。通过使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:

 1 Lock lock = ...;
 2 lock.lock();
 3 
 4 try {
 5     // 处理任务
 6         
 7 }catch(Exception ex) {
 8 
 9 }finally {
10     lock.unlock();    // 释放锁
11 }

  tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其它线程获取),则返回false,也就是说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

  tryLock(long time,TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。

  所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:

 1 Lock lock = ...;
 2 if(lock.tryLock()) {
 3     try {
 4         // 处理任务
 5     }catch(Exception ex) {
 6 
 7     }finally {
 8         lock.unlock();
 9     }
10 
11 }else {
12     // 如果不能获取锁,则直接做其它事情
13 }

  lockInterruptibly()方法比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。也就是说,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有在等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

  由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常,所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException

  因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下:

 1 public void method throws InterruptedException {
 2     lock.lockInterruptibly();
 3     try {
 4         //...
 5     }catch(Exception ex) {
 6 
 7     }finally {
 8         lock.unlock();
 9     }
10 }

  注意:当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。在前面的文章中也讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程,只能中断阻塞过程中的线程

  因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,只有进行等待的情况下,才可以响应中断的。

  而用synchronized修饰的话,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去

 

2、ReentrantLock

  ReentrantLock,意思是“可重入锁”,关于可重入锁的概念将在下一节讲述。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例具体看一下如何使用ReentrantLock。

  例子1:lock()的正确使用方法

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 5 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 6 
 7 public class MyLockTest {
 8     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 9     
10     public static void main(String[] args) {
11         
12         final MyLockTest mlTest = new MyLockTest();
13         
14         new Thread() {
15             public void run() {
16                 mlTest.insert(Thread.currentThread());
17             };
18         }.start();
19         
20         new Thread() {
21             public void run() {
22                 mlTest.insert(Thread.currentThread());
23             };
24         }.start();
25     }
26     
27     public void insert(Thread thread) {
28         Lock lock = new ReentrantLock();    // 注意这个地方
29         lock.lock();
30         try {
31             System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
32             for(int i = 0;i < 5;i++) {
33                 arrayList.add(i);
34             }
35         }catch(Exception e) {
36             //TODO:handle exception
37         }finally {
38             System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
39             lock.unlock();
40         }
41     }
42 }

  各位朋友先想想这段代码的输出结果是什么?

Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁
View Code

  也许有朋友会问,怎么会输出这个结果?第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么理所当然每个线程执行到lock.lock()获取的是不同的锁,所以就不会发生冲突

  知道了原因改起来就比较容易了,只需要将lock声明为类的属性即可。

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 5 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 6 
 7 public class MyLockTest {
 8     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 9     private Lock lock = new ReentrantLock();    // 注意这个地方
10     public static void main(String[] args) {
11         
12         final MyLockTest mlTest = new MyLockTest();
13         
14         new Thread() {
15             public void run() {
16                 mlTest.insert(Thread.currentThread());
17             };
18         }.start();
19         
20         new Thread() {
21             public void run() {
22                 mlTest.insert(Thread.currentThread());
23             };
24         }.start();
25     }
26     
27     public void insert(Thread thread) {
28         lock.lock();
29         try {
30             System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
31             for(int i = 0;i < 5;i++) {
32                 arrayList.add(i);
33             }
34         }catch(Exception e) {
35             //TODO:handle exception
36         }finally {
37             System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
38             lock.unlock();
39         }
40     }
41 }

  这样就是正确地使用Lock的方法了。

  例子2:tryLock()的使用方法

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 import java.util.ArrayList;
 4 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 5 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 6 
 7 public class MyTryLockTest {
 8     private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
 9     private Lock lock = new ReentrantLock();    // 注意到这个地方
10     
11     public static void main(String[] args) {
12         final MyTryLockTest mtlTest = new MyTryLockTest();
13         
14         new Thread() {
15             public void run() {
16                 mtlTest.insert(Thread.currentThread());
17             };
18         }.start();
19         
20         new Thread() {
21             public void run() {
22                 mtlTest.insert(Thread.currentThread());
23             };
24         }.start();
25     }
26     
27     public void insert(Thread thread) {
28         if(lock.tryLock()){
29             try {
30                 System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
31                 for(int i = 0;i < 5;i++) {
32                     arrayList.add(i);
33                 }
34             }catch(Exception e) {
35                 //TODO:handle exception
36             }finally {
37                 System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
38                 lock.unlock();
39             }
40         
41         }else {
42             System.out.println(thread.getName() + "获取锁失败");
43         }
44     }
45     
46 }

  输出结果:

Thread-0得到了锁
Thread-1获取锁失败
Thread-0释放了锁
View Code

  例子3:lockInterruptibly()响应中断的使用方法:

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 import java.util.concurrent.locks.Lock;
 4 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 5 
 6 import com.meng.javalanguage.thread.test.MyThreadTest;
 7 
 8 public class MyLockInterruptiblyTest {
 9     
10     private Lock lock = new ReentrantLock();
11     
12     public static void main(String[] args) {
13         MyLockInterruptiblyTest mliTest = new MyLockInterruptiblyTest();
14         MyThread thread1 = new MyThread(mliTest);
15         MyThread thread2 = new MyThread(mliTest);
16         
17         thread1.start();
18         thread2.start();
19         
20         try {
21             Thread.sleep(2000);
22         }catch(InterruptedException e) {
23             e.printStackTrace();
24         }
25         
26         thread2.interrupt();
27     }
28     
29     public void insert(Thread thread) throws InterruptedException {
30         lock.lockInterruptibly();    // 注意,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面,然后将InterruptException抛出
31         try {
32             System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
33             long startTime = System.currentTimeMillis();
34             
35             for( ; ;) {
36                 if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE) {
37                     break;
38                 }
39                 
40                 // 插入数据
41             }
42         }
43         finally {
44             System.out.println(thread.getName() + "执行finally");
45             lock.unlock();
46             System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
47         }
48     }
49 }
50 
51 
52 class MyThread extends Thread {
53     private MyLockInterruptiblyTest mliTest = null;
54     public MyThread(MyLockInterruptiblyTest mliTest) {
55         this.mliTest = mliTest;
56     }
57     
58     @Override
59     public void run() {
60         try {
61             mliTest.insert(Thread.currentThread());
62         }catch(InterruptedException e) {
63             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被中断");
64         }
65     }
66 }

  运行之后,发现thread2能够被正确中断。

3、ReadWriteLock

  ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法:

 1 public interface ReadWriteLock {
 2     /**
 3      * @return the lock used for reading.
 4      */
 5 
 6      Lock readLock();
 7 
 8      /**
 9       * @return the lock used for writing.
10       */
11       Lock writeLock();
12 }

  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。

4、ReentrantReadWriteLock

  ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。

  下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。

  例如有多个线程要同时进行读操作的话,先看一下synchronized达到的效果:

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 public class MySynchronizedTest {
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         final MySynchronizedTest msTest = new MySynchronizedTest();
 7         
 8         new Thread() {
 9             public void run() {
10                 msTest.get(Thread.currentThread());
11             };
12         }.start();
13         
14         new Thread() {
15             public void run() {
16                 msTest.get(Thread.currentThread());
17             };
18         }.start();
19     }
20     
21     public synchronized void get(Thread thread) {
22         long start = System.currentTimeMillis();
23         
24         while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
25             System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作");
26         }
27         
28         System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
29     } 
30 }

  这段程序的输出结果为:直到thread1执行完读操作之后,才会打印thread2执行读操作的信息。

Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
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Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
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Thread-1正在进行读操作
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Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕
View Code

  而改成用读写锁的话:

 1 package com.meng.javalanguage.thread.locks;
 2 
 3 import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
 4 
 5 public class MyReadWriteLockTest {
 6 
 7     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 8     
 9     public static void main(String[] args) {
10         final MyReadWriteLockTest mrwlTest = new MyReadWriteLockTest();
11         
12         new Thread() {
13             public void run() {
14                 mrwlTest.get(Thread.currentThread());
15             };
16         }.start();
17         
18         new Thread() {
19             public void run() {
20                 mrwlTest.get(Thread.currentThread());
21             };
22         }.start();
23         
24     }
25     
26     public void get(Thread thread) {
27         rwl.readLock().lock();
28         
29         try {
30             long start = System.currentTimeMillis();
31             
32             while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
33                 System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作");
34             }
35             
36             System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
37         } finally {
38             rwl.readLock().unlock();
39         }
40     }
41 }

  此时打印的结果为:

Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读操作完毕
View Code

  说明thread1和thread2在同时进行读操作。

  这样就大大提升了读操作的效率。

  不过要注意的是,如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其它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。

  如果一个线程已经占用了写锁,则此时其它线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁

  关于ReentrantReadWriteLock类中的其它方法感兴趣的朋友可以自行查阅API文档。

5、Lock和synchronized的选择

  总结来说,Lock和synchronized有以下几点不同:

  1)Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现;

  2)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;

  3)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;

  4)通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到。

  5)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。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。

三、锁的相关概念介绍

  在前面介绍了Lock的基本使用,这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。

1、可重入锁

  如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到synchronized方法时,比如说mrthod1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新申请锁,而是可以直接执行方法method2。

  看下面这段代码就明白了:

1 public MyClass {
2     public synchronized void mrthod1() {
3         method2();
4     }
5 
6     public synchronized void method2() {
7         
8     }
9 }

  上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样线程A就会一直等待永远不会获取到的锁。

  而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。

2、可中断锁

  可中断锁:顾名思义,就是可以响应中断的锁

  在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。

  如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中(如主线程)中中断它,这种就是可中断锁。

  在前面演示lockInterruptibly()的用法时,已经体现了Lock的可中断性。

3、公平锁

  公平锁,即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该锁,这种就是公平锁。

  非公平锁,即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

  在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序

  而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁

  看一下这2个类的源代码就清楚了:

  在ReentrantLock中定义了2个静态内部类,一个是NonFairSync,一个是FairSync,分别用来实现非公平锁和公平锁。

  我们可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

  如果参数为true,表示为公平锁,为false为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。

  另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如:

  isFair()    // 判断锁是否是公平锁

  isLocked()  // 判断锁是否被任何线程获取了

  isHeldByCurrentThread()  // 判断锁是否被当前线程获取了

  hasQueuedThreads()    // 判断是否有线程在等待该锁

  在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。

4、读写锁

  读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成2个锁,一个读锁和一个写锁。

  正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。

  ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。

  可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。

  

转载自《Java并发编程:Lock

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转载自www.cnblogs.com/codingmengmeng/p/9858745.html