Java多线程系列 JUC锁

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根据锁的添加到Java中的时间,Java中的锁,可以分为”同步锁“和”JUC包中的锁“。

同步锁

即通过synchronized关键字来进行同步,实现对竞争资源的互斥访问的锁。Java 1.0版本中就已经支持同步锁了。

同步锁的原理是,对于每一个对象,有且仅有一个同步锁;不同的线程能共同访问该同步锁。但是,在同一个时间点,该同步锁能且只能被一个线程获取到。这 样,获取到同步锁的线程就能进行CPU调度,从而在CPU上执行;而没有获取到同步锁的线程,必须进行等待,直到获取到同步锁之后才能继续运行。这就是, 多线程通过同步锁进行同步的原理!

关于”同步锁”的更多内容,请参考”Java锁的基础部分”的内容。

JUC包中的锁

相比同步锁,JUC包中的锁的功能更加强大,它为锁提供了一个框架,该框架允许更灵活地使用锁,只是它的用法更难罢了。

JUC包中的锁,包括:Lock接口,ReadWriteLock接口,LockSupport阻塞原语,Condition条 件,AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer /AbstractQueuedLongSynchronizer三个抽象类,ReentrantLock独占 锁,ReentrantReadWriteLock读写锁。由于CountDownLatch,CyclicBarrier和Semaphore也是通过 AQS来实现的;因此,我也将它们归纳到锁的框架中进行介绍。

先看看锁的框架图,如下所示。

01. Lock接口

JUC包中的 Lock 接口支持那些语义不同(重入、公平等)的锁规则。所谓语义不同,是指锁可是有”公平机制的锁”、”非公平机制的锁”、”可重入的锁”等等。”公平机制”是 指”不同线程获取锁的机制是公平的”,而”非公平机制”则是指”不同线程获取锁的机制是非公平的”,”可重入的锁”是指同一个锁能够被一个线程多次获取。

02. ReadWriteLock

ReadWriteLock 接口以和Lock类似的方式定义了一些读取者可以共享而写入者独占的锁。JUC包只有一个类实现了该接口,即 ReentrantReadWriteLock,因为它适用于大部分的标准用法上下文。但程序员可以创建自己的、适用于非标准要求的实现。

03. AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer
AbstractQueuedSynchronizer就是被称之为AQS的类,它是一个非常有用的超类,可用来定义锁以及依赖于排队阻塞线程的其他同步器;ReentrantLock,ReentrantReadWriteLock,CountDownLatch,CyclicBarrier 和Semaphore等这些类都是基于AQS类实现的。AbstractQueuedLongSynchronizer 类提供相同的功能但扩展了对同步状态的 64 位的支持。两者都扩展了类 AbstractOwnableSynchronizer(一个帮助记录当前保持独占同步的线程的简单类)。

04. LockSupport
LockSupport提供“创建锁”和“其他同步类的基本线程阻塞原语”。
LockSupport的功能和”Thread中的Thread.suspend()和Thread.resume()有点类 似”,LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程。但是park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。

05. Condition
Condition需要和Lock联合使用,它的作用是代替Object监视器方法,可以通过await(),signal()来休眠/唤醒线程。
Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似,但提供了更强大的功能。需要特别指出的是,单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题,Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。

06. ReentrantLock
ReentrantLock是独占锁。所谓独占锁,是指只能被独自占领,即同一个时间点只能被一个线程锁获取到的锁。ReentrantLock锁包 括”公平的ReentrantLock”和”非公平的ReentrantLock”。”公平的ReentrantLock”是指”不同线程获取锁的机制是 公平的”,而”非公平的  ReentrantLock”则是指”不同线程获取锁的机制是非公平的”,ReentrantLock是”可重入的锁”。
ReentrantLock的UML类图如下:

(01) ReentrantLock实现了Lock接口。
(02) ReentrantLock中有一个成员变量sync,sync是Sync类型;Sync是一个抽象类,而且它继承于AQS。
(03) ReentrantLock中有”公平锁类”FairSync和”非公平锁类”NonfairSync,它们都是Sync的子类。ReentrantReadWriteLock中sync对象,是FairSync与NonfairSync中的一种,这也意味着ReentrantLock是”公平锁”或”非公平锁”中的一种,ReentrantLock默认是非公平锁。

07. ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock是读写锁接口ReadWriteLock的实现类,它包括子类ReadLock和WriteLock。ReentrantLock是共享锁,而WriteLock是独占锁。
ReentrantReadWriteLock的UML类图如下:


(01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
(02) ReentrantReadWriteLock中包含sync对象,读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。
(03) 和”ReentrantLock”一样,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括”公平锁”FairSync和”非公平锁”NonfairSync。

08. CountDownLatch
CountDownLatch是一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待。
CountDownLatch的UML类图如下:


CountDownLatch包含了sync对象,sync是Sync类型。CountDownLatch的Sync是实例类,它继承于AQS。

09. CyclicBarrier
CyclicBarrier是一个同步辅助类,允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环 的 barrier。
CyclicBarrier的UML类图如下:


CyclicBarrier是包含了”ReentrantLock对象lock”和”Condition对象trip”,它是通过独占锁实现的。
CyclicBarrier和CountDownLatch的区别是:
(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行;而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。
(02) CountDownLatch的计数器无法被重置;CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用,因此它被称为是循环的barrier。

10. Semaphore
Semaphore是一个计数信号量,它的本质是一个”共享锁”。
信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可;当信号量中有可用的许可时,线程能获取该许可;否则线程必须等待,直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。
Semaphore的UML类图如下:


和”ReentrantLock”一样,Semaphore包含了sync对象,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括”公平信号量”FairSync和”非公平信号量”NonfairSync。



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