Java 8 并发教程 (二)：同步和锁
原文：Java 8 Concurrency Tutorial: Synchronization and Locks
译者：飞龙
欢迎阅读我的Java8并发教程的第二部分。这份指南将会以简单易懂的代码示例来教给你如何在Java8中进行并发编程。这是一系列教程中的第二部分。在接下来的15分钟，你将会学会如何通过同步关键字，锁和信号量来同步访问共享可变变量。
- 第一部分：线程和执行器
- 第二部分：同步和锁
- 第三部分：原子变量和 ConcurrentMap
这篇文章中展示的中心概念也适用于Java的旧版本，然而代码示例适用于Java 8，并严重依赖于lambda表达式和新的并发特性。如果你还不熟悉lambda，我推荐你先阅读我的Java 8 教程。
出于简单的因素，这个教程的代码示例使用了定义在这里的两个辅助函数sleep(seconds) 和 stop(executor)。
同步
在上一章中，我们学到了如何通过执行器服务同时执行代码。当我们编写这种多线程代码时，我们需要特别注意共享可变变量的并发访问。假设我们打算增加某个可被多个线程同时访问的整数。
我们定义了count字段，带有increment()方法来使count加一：
int count = 0;
void increment() {
count = count + 1;
}当多个线程并发调用这个方法时，我们就会遇到大麻烦：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
IntStream.range(0, 10000)
.forEach(i -> executor.submit(this::increment));
stop(executor);
System.out.println(count); // 9965我们没有看到count为10000的结果，上面代码的实际结果在每次执行时都不同。原因是我们在不同的线程上共享可变变量，并且变量访问没有同步机制，这会产生竞争条件。
增加一个数值需要三个步骤：（1）读取当前值，（2）使这个值加一，（3）将新的值写到变量。如果两个线程同时执行，就有可能出现两个线程同时执行步骤1，于是会读到相同的当前值。这会导致无效的写入，所以实际的结果会偏小。上面的例子中，对count的非同步并发访问丢失了35次增加操作，但是你在自己执行代码时会看到不同的结果。
幸运的是，Java自从很久之前就通过synchronized关键字支持线程同步。我们可以使用synchronized来修复上面在增加count时的竞争条件。
synchronized void incrementSync() {
count = count + 1;
}在我们并发调用incrementSync()时，我们得到了count为10000的预期结果。没有再出现任何竞争条件，并且结果在每次代码执行中都很稳定：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
IntStream.range(0, 10000)
.forEach(i -> executor.submit(this::incrementSync));
stop(executor);
System.out.println(count); // 10000synchronized关键字也可用于语句块：
void incrementSync() {
synchronized (this) {
count = count + 1;
}
}Java在内部使用所谓的“监视器”（monitor），也称为监视器锁（monitor lock）或内在锁（ intrinsic lock）来管理同步。监视器绑定在对象上，例如，当使用同步方法时，每个方法都共享相应对象的相同监视器。
所有隐式的监视器都实现了重入（reentrant）特性。重入的意思是锁绑定在当前线程上。线程可以安全地多次获取相同的锁，而不会产生死锁（例如，同步方法调用相同对象的另一个同步方法）。
锁
并发API支持多种显式的锁，它们由Lock接口规定，用于代替synchronized的隐式锁。锁对细粒度的控制支持多种方法，因此它们比隐式的监视器具有更大的开销。
锁的多个实现在标准JDK中提供，它们会在下面的章节中展示。
ReentrantLock
ReentrantLock类是互斥锁，与通过synchronized访问的隐式监视器具有相同行为，但是具有扩展功能。就像它的名称一样，这个锁实现了重入特性，就像隐式监视器一样。
让我们看看使用ReentrantLock之后的上面的例子。
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: falsetryLock()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。
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。
- 第一部分：线程和执行器
- 第二部分：同步和锁
- 第三部分：原子变量和 ConcurrentMap