Java知识体系之线程相关-并发工具类（1）

Java知识体系

Lock和Condition

并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。这两大问题，管程都是能够解决的。Java SDK并发包通过Lock和Condition两个接口来实现管程，其中Lock用于解决互斥问题，Condition用于解决同步问题。

隐藏在并发包中的管程

再造管程的理由

Java语言本身提供的synchronized也是管程的一种实现，既然Java从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在SDK里提供另外一种实现呢？

你也许曾经听到过很多这方面的传说，例如在Java的1.5版本中，synchronized性能不如SDK里面的Lock，但1.6版本之后，synchronized做了很多优化，将性能追了上来，所以1.6之后的版本又有人推荐使用synchronized了。那性能是否可以成为“重复造轮子”的理由呢？显然不能。因为性能问题优化一下就可以了，完全没必要“重复造轮子”。

到这里，关于这个问题，你是否能够想出一条理由来呢？如果你细心的话，也许能想到一点。那就是我们前面在介绍死锁问题的时候，提出了一个破坏不可抢占条件方案，但是这个方案synchronized没有办法解决。原因是synchronized申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但我们希望的是：

• 对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？我觉得有三种方案。

• 能够响应中断。
  synchronized的问题是，持有锁A后，如果尝试获取锁B失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁A。这样就破坏了不可抢占条件了。
• 支持超时。
  如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
• 非阻塞地获取锁。
  如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补synchronized的问题。到这里相信你应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在API上，就是Lock接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();

如何保证可见性

Java SDK里面Lock的使用，有一个经典的范例，就是try{}finally{}，需要重点关注的是在finally里面释放锁。这个范例无需多解释，你看一下下面的代码就明白了:

class X {
  private final Lock rtl = new ReentrantLock();
  int value;
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value+=1;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

但是有一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。你已经知道Java里多线程的可见性是通过Happens-Before规则保证的，而synchronized之所以能够保证可见性，也是因为有一条synchronized相关的规则：synchronized的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
那Java SDK里面Lock靠什么保证可见性呢？
例如在下面的代码中，线程T1对value进行了+=1操作，那后续的线程T2能够看到value的正确结果吗？

答案必须是肯定的。

Java SDK里面锁的实现非常复杂，这里我就不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是利用了volatile相关的Happens-Before规则。

Java SDK里面的ReentrantLock，内部持有一个volatile 的成员变量state，获取锁的时候，会读写state的值；解锁的时候，也会读写state的值（简化后的代码如下面所示）：

class SampleLock {
  volatile int state;
  // 加锁
  lock() {
    // 省略代码无数
    state = 1;
  }
  // 解锁
  unlock() {
    // 省略代码无数
    state = 0;
  }
}

也就是说，在执行value+=1之前，程序先读写了一次volatile变量state，在执行value+=1之后，又读写了一次volatile变量state。根据相关的Happens-Before规则：

• 顺序性规则：对于线程T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作unlock()；
• volatile变量规则：由于state = 1会先读取state，所以线程T1的unlock()操作Happens-Before线程T2的lock()操作；
• 传递性规则：线程 T1的value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

所以说，后续线程T2能够看到value的正确结果。

什么是可重入锁

如果你细心观察，会发现我们创建的锁的具体类名是ReentrantLock，这个翻译过来叫可重入锁，这个概念前面我们一直没有介绍过。

所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。

例如下面代码中：

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public int get() {
    // 获取锁
    rtl.lock();         ②
    try {
      return value;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value = 1 + get(); ①
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

当线程T1执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get()方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。

• 如果锁 rtl 是可重入的，那么线程T1可以再次加锁成功；
• 如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程T1此时会被阻塞。

除了可重入锁，可能你还听说过可重入函数，可重入函数怎么理解呢？指的是线程可以重复调用？
显然不是，所谓可重入函数，指的是多个线程可以同时调用该函数，每个线程都能得到正确结果；同时在一个线程内支持线程切换，无论被切换多少次，结果都是正确的。多线程可以同时执行，还支持线程切换，这意味着什么呢？线程安全啊。所以，可重入函数是线程安全的。

公平锁与非公平锁

在使用ReentrantLock的时候，你会发现ReentrantLock这个类有两个构造函数，一个是无参构造函数，一个是传入fair参数的构造函数。fair参数代表的是锁的公平策略，如果传入true就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

//无参构造函数：默认非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
//根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair){
    sync = fair ? new FairSync() 
                : new NonfairSync();
}

在前面我们介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

用锁的最佳实践

你已经知道，用锁虽然能解决很多并发问题，但是风险也是挺高的。可能会导致死锁，也可能影响性能。这方面有是否有相关的最佳实践呢？有，还很多。但是我觉得最值得推荐的是并发大师Doug Lea《Java并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践，它们分别是：

• 永远只在更新对象的成员变量时加锁
• 永远只在访问可变的成员变量时加锁
• 永远不在调用其他对象的方法时加锁

这三条规则，前两条估计你一定会认同，最后一条你可能会觉得过于严苛。但是我还是倾向于你去遵守，因为调用其他对象的方法，实在是太不安全了，也许“其他”方法里面有线程sleep()的调用，也可能会有奇慢无比的I/O操作，这些都会严重影响性能。更可怕的是，“其他”类的方法可能也会加锁，然后双重加锁就可能导致死锁。

并发问题，本来就难以诊断，所以你一定要让你的代码尽量安全，尽量简单，哪怕有一点可能会出问题，都要努力避免。

小结

Java SDK 并发包里的Lock接口里面的每个方法，你可以感受到，都是经过深思熟虑的。除了支持类似synchronized隐式加锁的lock()方法外，还支持超时、非阻塞、可中断的方式获取锁，这三种方式为我们编写更加安全、健壮的并发程序提供了很大的便利。希望你以后在使用锁的时候，一定要仔细斟酌。

除了并发大师Doug Lea推荐的三个最佳实践外，你也可以参考一些诸如：减少锁的持有时间、减小锁的粒度等业界广为人知的规则，其实本质上它们都是相通的，不过是在该加锁的地方加锁而已。你可以自己体会，自己总结，最终总结出自己的一套最佳实践来。

Dubbo如何用管程实现异步转同步？

接着再来详细聊聊Java SDK并发包里的Condition，Condition实现了管程模型里面的条件变量。

在《08 | 管程：并发编程的万能钥匙》里我们提到过Java 语言内置的管程里只有一个条件变量，而Lock&Condition实现的管程是支持多个条件变量的，这是二者的一个重要区别。

在很多并发场景下，支持多个条件变量能够让我们的并发程序可读性更好，实现起来也更容易。例如，实现一个阻塞队列，就需要两个条件变量。

那如何利用两个条件变量快速实现阻塞队列呢？

一个阻塞队列，需要两个条件变量，一个是队列不空（空队列不允许出队），另一个是队列不满（队列已满不允许入队），这个例子我们前面在介绍管程的时候详细说过，这里就不再赘述。相关的代码，我这里重新列了出来，你可以温故知新一下。

public class BlockedQueue{
  final Lock lock =
    new ReentrantLock();
  // 条件变量：队列不满  
  final Condition notFull =
    lock.newCondition();
  // 条件变量：队列不空  
  final Condition notEmpty =
    lock.newCondition();
  // 入队
  void enq(T x) {
    lock.lock();
    try {
      while (队列已满){
        // 等待队列不满
        notFull.await();
      }  
      // 省略入队操作...
      //入队后,通知可出队
      notEmpty.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  // 出队
  void deq(){
    lock.lock();
    try {
      while (队列已空){
        // 等待队列不空
        notEmpty.await();
      }  
      // 省略出队操作...
      //出队后，通知可入队
      notFull.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}

不过，这里你需要注意，Lock和Condition实现的管程，线程等待和通知需要调用await()、signal()、signalAll()，它们的语义和wait()、notify()、notifyAll()是相同的。
但是不一样的是，Lock&Condition实现的管程里只能使用前面的await()、signal()、signalAll()，而后面的wait()、notify()、notifyAll()只有在synchronized实现的管程里才能使用。
如果一不小心在Lock&Condition实现的管程里调用了wait()、notify()、notifyAll()，那程序可就彻底玩儿完了。

Java SDK并发包里的Lock和Condition不过就是管程的一种实现而已，管程你已经很熟悉了，那Lock和Condition的使用自然是小菜一碟。下面我们就来看看在知名项目Dubbo中，Lock和Condition是怎么用的。不过在开始介绍源码之前，我还先要介绍两个概念：同步和异步。

同步与异步

我们平时写的代码，基本都是同步的。但最近几年，异步编程大火。那同步和异步的区别到底是什么呢？通俗点来讲就是调用方是否需要等待结果，如果需要等待结果，就是同步；如果不需要等待结果，就是异步。

比如在下面的代码里，有一个计算圆周率小数点后100万位的方法pai1M()，这个方法可能需要执行俩礼拜，如果调用pai1M()之后，线程一直等着计算结果，等俩礼拜之后结果返回，就可以执行 printf("hello world")了，这个属于同步；如果调用pai1M()之后，线程不用等待计算结果，立刻就可以执行 printf("hello world")，这个就属于异步。

// 计算圆周率小说点后100万位 
String pai1M() {
  //省略代码无数
}
pai1M()
printf("hello world")

同步，是Java代码默认的处理方式。如果你想让你的程序支持异步，可以通过下面两种方式来实现：

调用方创建一个子线程，在子线程中执行方法调用，这种调用我们称为异步调用；
方法实现的时候，创建一个新的线程执行主要逻辑，主线程直接return，这种方法我们一般称为异步方法。
Dubbo源码分析
其实在编程领域，异步的场景还是挺多的，比如TCP协议本身就是异步的，我们工作中经常用到的RPC调用，在TCP协议层面，发送完RPC请求后，线程是不会等待RPC的响应结果的。可能你会觉得奇怪，平时工作中的RPC调用大多数都是同步的啊？这是怎么回事呢？

其实很简单，一定是有人帮你做了异步转同步的事情。例如目前知名的RPC框架Dubbo就给我们做了异步转同步的事情，那它是怎么做的呢？下面我们就来分析一下Dubbo的相关源码。

对于下面一个简单的RPC调用，默认情况下sayHello()方法，是个同步方法，也就是说，执行service.sayHello(“dubbo”)的时候，线程会停下来等结果。

DemoService service = 初始化部分省略
String message =
service.sayHello("dubbo");
System.out.println(message);
如果此时你将调用线程dump出来的话，会是下图这个样子，你会发现调用线程阻塞了，线程状态是TIMED_WAITING。本来发送请求是异步的，但是调用线程却阻塞了，说明Dubbo帮我们做了异步转同步的事情。通过调用栈，你能看到线程是阻塞在DefaultFuture.get()方法上，所以可以推断：Dubbo异步转同步的功能应该是通过DefaultFuture这个类实现的。

调用栈信息
不过为了理清前后关系，还是有必要分析一下调用DefaultFuture.get()之前发生了什么。DubboInvoker的108行调用了DefaultFuture.get()，这一行很关键，我稍微修改了一下列在了下面。这一行先调用了request(inv, timeout)方法，这个方法其实就是发送RPC请求，之后通过调用get()方法等待RPC返回结果。

public class DubboInvoker{
Result doInvoke(Invocation inv){
// 下面这行就是源码中108行
// 为了便于展示，做了修改
return currentClient
.request(inv, timeout)
.get();
}
}
DefaultFuture这个类是很关键，我把相关的代码精简之后，列到了下面。不过在看代码之前，你还是有必要重复一下我们的需求：当RPC返回结果之前，阻塞调用线程，让调用线程等待；当RPC返回结果后，唤醒调用线程，让调用线程重新执行。不知道你有没有似曾相识的感觉，这不就是经典的等待-通知机制吗？这个时候想必你的脑海里应该能够浮现出管程的解决方案了。有了自己的方案之后，我们再来看看Dubbo是怎么实现的。

// 创建锁与条件变量
private final Lock lock
= new ReentrantLock();
private final Condition done
= lock.newCondition();

// 调用方通过该方法等待结果
Object get(int timeout){
long start = System.nanoTime();
lock.lock();
try {
while (!isDone()) {
done.await(timeout);
long cur=System.nanoTime();
if (isDone() ||
cur-start > timeout){
break;
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
if (!isDone()) {
throw new TimeoutException();
}
return returnFromResponse();
}
// RPC结果是否已经返回
boolean isDone() {
return response != null;
}
// RPC结果返回时调用该方法
private void doReceived(Response res) {
lock.lock();
try {
response = res;
if (done != null) {
done.signal();
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
调用线程通过调用get()方法等待RPC返回结果，这个方法里面，你看到的都是熟悉的“面孔”：调用lock()获取锁，在finally里面调用unlock()释放锁；获取锁后，通过经典的在循环中调用await()方法来实现等待。

当RPC结果返回时，会调用doReceived()方法，这个方法里面，调用lock()获取锁，在finally里面调用unlock()释放锁，获取锁后通过调用signal()来通知调用线程，结果已经返回，不用继续等待了。

至此，Dubbo里面的异步转同步的源码就分析完了，有没有觉得还挺简单的？最近这几年，工作中需要异步处理的越来越多了，其中有一个主要原因就是有些API本身就是异步API。例如websocket也是一个异步的通信协议，如果基于这个协议实现一个简单的RPC，你也会遇到异步转同步的问题。现在很多公有云的API本身也是异步的，例如创建云主机，就是一个异步的API，调用虽然成功了，但是云主机并没有创建成功，你需要调用另外一个API去轮询云主机的状态。如果你需要在项目内部封装创建云主机的API，你也会面临异步转同步的问题，因为同步的API更易用。

总结
Lock&Condition是管程的一种实现，所以能否用好Lock和Condition要看你对管程模型理解得怎么样。管程的技术前面我们已经专门用了一篇文章做了介绍，你可以结合着来学，理论联系实践，有助于加深理解。

Lock&Condition实现的管程相对于synchronized实现的管程来说更加灵活、功能也更丰富。

结合我自己的经验，我认为了解原理比了解实现更能让你快速学好并发编程，所以没有介绍太多Java SDK并发包里锁和条件变量是如何实现的。但如果你对实现感兴趣，可以参考《Java并发编程的艺术》一书的第5章《Java中的锁》，里面详细介绍了实现原理，我觉得写得非常好。

另外，专栏里对DefaultFuture的代码缩减了很多，如果你感兴趣，也可以去看看完整版。
Dubbo的源代码在Github上，DefaultFuture的路径是：incubator-dubbo/dubbo-remoting/dubbo-remoting-api/src/main/java/org/apache/dubbo/remoting/exchange/support/DefaultFuture.java。