Java 8 並發教學：同步與鎖

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

第三部分：原子操作和ConcurrentMap

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;
}

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

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;
}

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

synchronized關鍵字也可用於語句區塊：

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

🎜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();
    }
}

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);

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

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();
    }
});

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);

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);

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);

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

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);

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);

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

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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