一、介绍

锁的实现提供了比使用 synchronized 方法和语句所能获得的更广泛的锁定操作。它们允许更灵活的结构化设计，可能具有非常不同的属性，并且可能支持多个关联的 Condition 对象。

锁是一种控制多个线程访问共享资源的工具。通常情况下，锁提供对共享资源的独占访问：一次只有一个线程可以获取锁，所有对共享资源的访问都需要先获取锁。然而，某些锁可能允许多个线程并发访问共享资源，例如 ReadWriteLock 的读锁。

使用 synchronized 方法或语句提供了对每个对象关联的隐式监视器锁的访问，但强制所有锁的获取和释放必须以块结构的方式进行：当获取多个锁时，它们必须按相反的顺序释放，并且所有锁必须在获取它们时的相同词法范围内释放。

虽然 synchronized 方法和语句的范围机制使得使用监视器锁编程变得更加容易，并有助于避免许多涉及锁的常见编程错误，但在某些情况下，你需要以更灵活的方式处理锁。例如，某些遍历并发访问数据结构的算法需要使用“手递手”或“链式锁定”：首先获取节点 A 的锁，然后是节点 B 的锁，然后释放 A 并获取 C，接着释放 B 并获取 D，依此类推。Lock 接口的实现通过允许在一个不同的范围内获取和释放锁，以及允许以任意顺序获取和释放多个锁，使得这种技术得以使用。

这种增加的灵活性带来了额外的责任。块结构锁定的缺失消除了与 synchronized 方法和语句相关的锁的自动释放。在大多数情况下，应使用以下惯用法：

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Lock l = ...;
l.lock();
try {
    // 访问由该锁保护的资源
    // ......
} finally {
    l.unlock();
}

当锁定和解锁发生在不同的范围内时，必须小心确保所有在持有锁期间执行的代码都受到 try-finally 或 try-catch 的保护，以确保在必要时释放锁。

Lock 的实现通过提供非阻塞尝试获取锁 tryLock()、可以中断的尝试获取锁 lockInterruptibly 和可以超时的尝试获取锁 tryLock(long, TimeUnit)，提供了比使用 synchronized 方法和语句更多的功能。

一个 Lock 类还可以提供与隐式监视器锁截然不同的行为和语义，例如保证顺序、非可重入使用或死锁检测。如果实现提供了这样的专业语义，则实现必须记录这些语义。

请注意，Lock 实例只是普通对象，可以作为 synchronized 语句的目标使用。获取 Lock 实例的监视器锁与调用该实例的任何锁方法没有指定的关系。为了避免混淆，建议除在其实现内部外，不要以这种方式使用 Lock 实例。

除非另有说明，传递任何参数的 null 值将导致抛出 NullPointerException。

1、内存同步

所有 Lock 的实现都必须强制执行与内置监视器锁相同的内存同步语义，这些语义在《Java语言规范》第17章中有描述：

  • 成功的 lock 操作具有与成功的 Lock 操作相同的内存同步效果。
  • 成功的 unlock 操作具有与成功的 Unlock 操作相同的内存同步效果。
  • 失败的 lock 操作和 unlock 操作，以及可重入的 lock 操作和 unlock 操作，不需要任何内存同步效果。

2、实现注意事项

三种形式的锁获取（可中断的、不可中断的和定时的）可能在性能特征、顺序保证或其他实现质量方面有所不同。

此外，给定的 Lock 类可能不支持中断正在进行的锁获取。因此，实现并不需要为所有三种形式的锁获取定义完全相同的保证或语义，也不需要支持中断正在进行的锁获取。实现必须清楚地记录每个锁方法提供的语义和保证。它还必须遵守此接口中定义的中断语义，前提是支持锁获取的中断：这可以是完全支持，也可以仅在方法进入时支持。

由于中断通常意味着取消，并且中断检查通常不频繁，因此实现可以优先响应中断而不是正常的方法返回。即使可以证明中断发生在另一操作可能解除线程阻塞之后，也是如此。实现应该记录这种行为。

二、源码

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public interface Lock {

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

1、lock 方法

该方法会获取锁。如果锁不可用，则当前线程将被禁用以进行线程调度，并处于休眠状态，直到锁被获取。

实现注意事项

Lock 的实现可能能够检测锁的错误使用，例如会导致死锁的调用，并在这种情况下抛出一个（未检查的）异常。这些情况和异常类型必须由该锁的实现进行文档化。

2、lockInterruptibly 方法

获取锁，除非当前线程被中断。

如果锁可用，则立即获取锁并返回。 如果锁不可用，则当前线程将被禁用以进行线程调度，并处于休眠状态，直到发生以下两种情况之一：

  • 当前线程获取了锁
  • 其他线程中断了当前线程，并且锁获取的中断是受支持的

如果当前线程发生如下两种情况之一：

  • 在进入此方法时其中断状态已被设置
  • 在获取锁的过程中被中断，并且锁获取的中断是受支持的

则会抛出 InterruptedException 并清除当前线程的中断状态。

实现注意事项

在某些实现中，中断锁获取的能力可能不可行，即使可行也可能是一个昂贵的操作。程序员应该意识到这一点。实现应该记录这种情况。实现可以优先响应中断而不是正常的方法返回。

Lock 的实现可能能够检测锁的错误使用，例如会导致死锁的调用，并在这种情况下抛出一个（未检查的）异常。这些情况和异常类型必须由该锁的实现进行文档化。

方法抛出异常

InterruptedException，如果当前线程在获取锁时被中断（并且锁获取的中断是受支持的）

3、tryLock 方法

仅在调用时锁为空闲状态时获取锁。

如果锁可用，则立即获取锁并返回 true。如果锁不可用，则此方法将立即返回 false。

使用此方法的一个典型用法示例如下：

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Lock lock = ...;
if (lock.tryLock()) {
    try {
        // 操作受保护的状态
        // ......
    } finally {
        lock.unlock();
    }
} else {
    // 执行替代操作
}

这种用法确保了如果锁被获取，则会解锁；如果锁未被获取，则不会尝试解锁。

4、tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法

如果在给定的等待时间内锁是空闲的，并且当前线程未被中断，则获取锁。

如果锁可用，此方法将立即返回 true。如果锁不可用，则当前线程将被禁用以进行线程调度，并处于休眠状态，直到以下三种情况之一发生：

  • 当前线程获取了锁
  • 其他线程中断了当前线程，并且锁获取的中断是受支持的
  • 指定的等待时间已过期

如果锁被获取，则返回 true。 如果当前线程发生以下两种情况之一：

  • 在进入此方法时其中断状态已被设置
  • 在获取锁的过程中被中断，并且锁获取的中断是受支持的

则会抛出 InterruptedException 并清除当前线程的中断状态。

如果指定的等待时间已过期，则返回 false。如果等待时间小于或等于零，则该方法将不会等待。

实现注意事项

在某些实现中，中断锁获取的能力可能不可行，即使可行也可能是一个昂贵的操作。程序员应该意识到这一点。实现应该记录这种情况。

实现可以优先响应中断而不是正常的方法返回，或者报告超时。

Lock 的实现可能能够检测锁的错误使用，例如会导致死锁的调用，并在这种情况下抛出一个（未检查的）异常。这些情况和异常类型必须由该锁的实现进行文档化。

5、unlock 方法

释放锁。

实现注意事项

Lock 的实现通常会对哪个线程可以释放锁施加限制（通常是只有锁的持有者可以释放它），并且如果违反了这些限制，可能会抛出一个（未检查的）异常。任何限制和异常类型必须由该锁的实现进行文档化。

6、newCondition 方法

返回一个新的绑定到此 Lock 实例的 Condition 实例。

在等待条件之前，当前线程必须持有该锁。调用 Condition.await() 方法会在等待前原子性地释放锁，并在等待返回前重新获取锁。

实现注意事项

Condition 实例的确切操作取决于锁的实现，并且必须由该实现进行文档化。

三、Java 中 Lock 的实现 ReentrantLock

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