显示锁
Java并发包中的显式锁接口和类位于包java.util.concurrent.locks下，主要接口和类有：
- 锁接口Lock，主要实现类是ReentrantLock；
- 读写锁接口ReadWriteLock，主要实现类是ReentrantReadWriteLock。
1、接口Lock
显式锁接口Lock的定义为：
java
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}下面解释一下。
- lock()/unlock()：就是普通的获取锁和释放锁方法，lock()会阻塞直到成功。
- lockInterruptibly()：与lock()的不同是，它可以响应中断，如果被其他线程中断了，则抛出InterruptedException。
- tryLock()：只是尝试获取锁，立即返回，不阻塞，如果获取成功，返回true，否则返回false。
- tryLock(long time, TimeUnit unit)：先尝试获取锁，如果能成功则立即返回true，否则阻塞等待，但等待的最长时间由指定的参数设置，在等待的同时响应中断，如果发生了中断，抛出InterruptedException，如果在等待的时间内获得了锁，返回true，否则返回false。
- newCondition：新建一个条件，一个Lock可以关联多个条件，关于条件，我们留待16.3节介绍。
可以看出，相比synchronized，显式锁支持以非阻塞方式获取锁、可以响应中断、可以限时，这使得它灵活得多。
2、可重入锁ReentrantLock
下面，先介绍ReentrantLock的基本用法，然后重点介绍如何使用tryLock避免死锁。
2.1、基本用法
Lock接口的主要实现类是ReentrantLock，它的基本用法lock/unlock实现了与syn-chronized一样的语义，包括：
- 可重入，一个线程在持有一个锁的前提下，可以继续获得该锁；
- 可以解决竞态条件问题；
- 可以保证内存可见性。
ReentrantLock有两个构造方法：
java
public ReentrantLock()
public ReentrantLock(boolean fair)参数fair表示是否保证公平，不指定的情况下，默认为false，表示不保证公平。所谓公平是指，等待时间最长的线程优先获得锁。保证公平会影响性能，一般也不需要，所以默认不保证，synchronized锁也是不保证公平的。
使用显式锁，一定要记得调用unlock。一般而言，应该将lock之后的代码包装到try语句内，在finally语句内释放锁。比如，使用ReentrantLock实现Counter，代码可以为：
java
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile int count;
public void incr() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}2.2、使用tryLock避免死锁
使用tryLock()，可以避免死锁。在持有一个锁获取另一个锁而获取不到的时候，可以释放已持有的锁，给其他线程获取锁的机会，然后重试获取所有锁。
我们来看个例子，银行账户之间转账，用类Account表示账户，如代码所示。
java
public class Account {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile double money;
public Account(double initialMoney) {
this.money = money;
}
public void add(double money) {
lock.lock();
try {
this.money += money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void reduce(double money) {
lock.lock();
try {
this.money -= money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public double getMoney() {
return money;
}
void lock() {
lock.lock();
}
void unlock() {
lock.unlock();
}
boolean tryLock() {
return lock.tryLock();
}
}Account里的money表示当前余额，add/reduce用于修改余额。在账户之间转账，需要两个账户都锁定，如果不使用tryLock，而直接使用lock，则代码如代码所示。
java
public class AccountMgr {
public static class NoEnoughMoneyException extends Exception {}
public static void transfer(Account from, Account to, double money) throws NoEnoughMoneyException {
from.lock();
try {
to.lock();
try {
if (from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
throw new NoEnoughMoneyException();
}
} finally {
to.unlock();
}
} finally {
from.unlock();
}
}
}但这么写是有问题的，如果两个账户都同时给对方转账，都先获取了第一个锁，则会发生死锁。我们写段代码来模拟这个过程，如代码所示。
java
public static void simulateDeadLock() {
final int accountNum = 10;
final Account[] accounts = new Account[accountNum];
final Random rnd = new Random();
for (int i = 0; i < accountNum; i++) {
accounts[i] = new Account(rnd.nextInt(10000));
}
int threadNum = 100;
Thread[] threads = new Thread[threadNum];
for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
threads[i] = new Thread() {
@Override
public void run() {
int loopNum = 100;
for (int k = 0; k < loopNum; k++) {
int i = rnd.nextInt(accountNum);
int j = rnd.nextInt(accountNum);
int money = rnd.nextInt(10);
if(i != j) {
try {
transfer(accounts[i], accounts[j], money);
} catch (NoEnoughMoneyException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
};
threads[i].start();
}
}以上代码创建了10个账户，100个线程，每个线程执行100次循环，在每次循环中，随机挑选两个账户进行转账。在笔者的计算机中，每次执行该段代码都会发生死锁。
我们使用tryLock来进行修改，先定义一个tryTransfer方法，如代码所示。
java
public static boolean tryTransfer(Account from, Account to, double money) throws NoEnoughMoneyException{
if(from.tryLock()) {
try {
if(to.tryLock()) {
try {
if (from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
throw new NoEnoughMoneyException();
}
return true;
} finally {
to.unlock();
}
}
} finally {
from.unlock();
}
}
return false;
}如果两个锁都能够获得，且转账成功，则返回true，否则返回false。不管怎样，结束都会释放所有锁。transfer方法可以循环调用该方法以避免死锁，代码可以为：
java
public static void transfer(Account from, Account to, double money)
throws NoEnoughMoneyException {
boolean success = false;
do {
success = tryTransfer(from, to, money);
if(! success) {
Thread.yield();
}
} while (! success);
}除了实现Lock接口中的方法，ReentrantLock还有一些其他方法，通过它们，可以获取关于锁的一些信息，这些信息可以用于监控和调试目的，具体可参看API文档，就不介绍了。
3、ReentrantLock的实现原理
3.1、LockSupport
类LockSupport也位于包java.util.concurrent.locks下，它的基本方法有：
java
public static void park()
public static void parkNanos(long nanos)
public static void parkUntil(long deadline)
public static void unpark(Thread thread)park使得当前线程放弃CPU，进入等待状态（WAITING），操作系统不再对它进行调度，什么时候再调度呢？有其他线程对它调用了unpark, unpark使参数指定的线程恢复可运行状态。我们看个例子：
java
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread (){
public void run(){
LockSupport.park(); //放弃CPU
System.out.println("exit");
}
};
t.start(); //启动子线程
Thread.sleep(1000); //睡眠1秒确保子线程先运行
LockSupport.unpark(t);
}上述例子中，主线程启动子线程t，线程t启动后调用park，放弃CPU，主线程睡眠1秒以确保子线程已执行LockSupport.park()，调用unpark，线程t恢复运行，输出exit。
park不同于Thread.yield(), yield只是告诉操作系统可以先让其他线程运行，但自己依然是可运行状态，而park会放弃调度资格，使线程进入WAITING状态。
需要说明的是，park是响应中断的，当有中断发生时，park会返回，线程的中断状态会被设置。另外还需要说明，park可能会无缘无故地返回，程序应该重新检查park等待的条件是否满足。
park有两个变体：
- parkNanos：可以指定等待的最长时间，参数是相对于当前时间的纳秒数；
- parkUntil：可以指定最长等到什么时候，参数是绝对时间，是相对于纪元时的毫秒数。
当等待超时的时候，它们也会返回。
这些park方法还有一些变体，可以指定一个对象，表示是由于该对象而进行等待的，以便于调试，通常传递的值是this，比如：
java
public static void park(Object blocker)LockSupport有一个方法，可以返回一个线程的blocker对象：
java
public static Object getBlocker(Thread t)这些park/unpark方法是怎么实现的呢？与CAS方法一样，它们也调用了Unsafe类中的对应方法。Unsafe类最终调用了操作系统的API，从程序员的角度，我们可以认为Lock-Support中的这些方法就是基本操作。
3.2、AQS
利用CAS和LockSupport提供的基本方法，就可以用来实现ReentrantLock了。但Java中还有很多其他并发工具，如ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch，它们的实现有很多类似的地方，为了复用代码，Java提供了一个抽象类AbstractQueued-Synchronizer，简称AQS，它简化了并发工具的实现。AQS的整体实现比较复杂，我们主要以ReentrantLock的使用为例进行简要介绍。
AQS封装了一个状态，给子类提供了查询和设置状态的方法：
java
private volatile int state;
protected final int getState()
protected final void setState(int newState)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update)用于实现锁时，AQS可以保存锁的当前持有线程，提供了方法进行查询和设置：
java
private transient Thread exclusiveOwnerThread;
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t)
protected final Thread getExclusiveOwnerThread()AQS内部维护了一个等待队列，借助CAS方法实现了无阻塞算法进行更新。
3.3、ReentrantLock
ReentrantLock内部使用AQS，有三个内部类：
java
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
static final class NonfairSync extends Sync
static final class FairSync extends SyncSync是抽象类，NonfairSync是fair为false时使用的类，FairSync是fire为true时使用的类。ReentrantLock内部有一个Sync成员：
java
private final Sync sync;在构造方法中sync被赋值，比如：
java
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}我们来看ReentrantLock中的基本方法lock/unlock的实现。先看lock方法，代码为：
java
public void lock() {
sync.lock();
}sync默认类型是NonfairSync, NonfairSync的lock代码为：
java
final void lock() {
if(compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}ReentrantLock使用state表示是否被锁和持有数量，如果当前未被锁定，则立即获得锁，否则调用acquire(1)获得锁。acquire是AQS中的方法，代码为：
java
public final void acquire(int arg) {
if(! tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}它调用tryAcquire获取锁，tryAcquire必须被子类重写。NonfairSync的实现为：
java
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}nonfairTryAcquire是sync中实现的，代码为：
java
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if(c == 0) {
if(compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if(current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if(nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}这段代码容易理解，如果未被锁定，则使用CAS进行锁定；如果已被当前线程锁定，则增加锁定次数。如果tryAcquire返回false，则AQS会调用：
java
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)其中，addWaiter会新建一个节点Node，代表当前线程，然后加入内部的等待队列中，限于篇幅，具体代码就不列出来了。放入等待队列后，调用acquireQueued尝试获得锁，代码为：
java
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for(; ; ) {
final Node p = node.predecessor();
if(p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if(failed)
cancelAcquire(node);
}
}主体是一个死循环，在每次循环中，首先检查当前节点是不是第一个等待的节点，如果是且能获得到锁，则将当前节点从等待队列中移除并返回，否则最终调用LockSupport. park放弃CPU，进入等待，被唤醒后，检查是否发生了中断，记录中断标志，在最终方法返回时返回中断标志。如果发生过中断，acquire方法最终会调用selfInterrupt方法设置中断标志位，其代码为：
java
private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}以上就是lock方法的基本过程，能获得锁就立即获得，否则加入等待队列，被唤醒后检查自己是否是第一个等待的线程，如果是且能获得锁，则返回，否则继续等待。这个过程中如果发生了中断，lock会记录中断标志位，但不会提前返回或抛出异常。
ReentrantLock的unlock方法的代码为：
java
public void unlock() {
sync.release(1);
}release是AQS中定义的方法，代码为：
java
public final boolean release(int arg) {
if(tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if(h ! = null && h.waitStatus ! = 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}tryRelease方法会修改状态释放锁，unparkSuccessor会调用LockSupport.unpark将第一个等待的线程唤醒，具体代码就不列举了。
FairSync和NonfairSync的主要区别是：在获取锁时，即在tryAcquire方法中，如果当前未被锁定，即c==0,FairSync多了一个检查，如下：
java
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if(c == 0) {
if(! hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
..这个检查是指，只有不存在其他等待时间更长的线程，它才会尝试获取锁。
这样保证公平不是很好吗？为什么默认不保证公平呢？保证公平整体性能比较低，低的原因不是这个检查慢，而是会让活跃线程得不到锁，进入等待状态，引起频繁上下文切换，降低了整体的效率，通常情况下，谁先运行关系不大，而且长时间运行，从统计角度而言，虽然不保证公平，也基本是公平的。需要说明是，即使fair参数为true， ReentrantLock中不带参数的tryLock方法也是不保证公平的，它不会检查是否有其他等待时间更长的线程。