Java多线程系列 JUC锁

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来源:http://www.educity.cn/develop/1242520.html

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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ReadWriteLock场景应用
Lock比传统线程模型中的synchronized方式更加面向对象,与生活中的锁类似,锁本身也应该是一个对象。两个线程执行的代码片段要实现同步互斥的效果,它们必须用同一个Lock对象。
读写锁:分为读锁和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由jvm自己控制的,我们只要上好相应的锁即可。如果你的代码只读数据,可以很多人同时读,但不能同时写,那就上读锁;如果你的代码修改数据,只能有一个人在写,且不能同时读取,那就上写锁。总之,读的时候上读锁,写的时候上写锁!
读写锁接口:ReadWriteLock,它的具体实现类为:ReentrantReadWriteLock
在多线程的环境下,对同一份数据进行读写,会涉及到线程安全的问题。比如在一个线程读取数据的时候,另外一个线程在写数据,而导致前后数据的不一致性;一个线程在写数据的时候,另一个线程也在写,同样也会导致线程前后看到的数据的不一致性。
这时候可以在读写方法中加入互斥锁,任何时候只能允许一个线程的一个读或写操作,而不允许其他线程的读或写操作,这样是可以解决这样以上的问题,但是效率却大打折扣了。因为在真实的业务场景中,一份数据,读取数据的操作次数通常高于写入数据的操作,而线程与线程间的读读操作是不涉及到线程安全的问题,没有必要加入互斥锁,只要在读-写,写-写期间上锁就行了。
对于以上这种情况,读写锁是最好的解决方案!其中它的实现类:ReentrantReadWriteLock–顾名思义是可重入的读写锁,允许多个读线程获得ReadLock,但只允许一个写线程获得WriteLock
读写锁的机制:
“读-读” 不互斥
“读-写” 互斥
“写-写” 互斥

ReentrantReadWriteLock会使用两把锁来解决问题,一个读锁,一个写锁。
线程进入读锁的前提条件:
1. 没有其他线程的写锁
2. 没有写请求,或者有写请求但调用线程和持有锁的线程是同一个线程
进入写锁的前提条件:
1. 没有其他线程的读锁
2. 没有其他线程的写锁

需要提前了解的概念:

锁降级:从写锁变成读锁;

锁升级:从读锁变成写锁。

读锁是可以被多线程共享的,写锁是单线程独占的。也就是说写锁的并发限制比读锁高,这可能就是升级/降级名称的来源。

如下代码会产生死锁,因为同一个线程中,在没有释放读锁的情况下,就去申请写锁,这属于锁升级,ReentrantReadWriteLock是不支持的。

ReadWriteLock rtLock = new ReentrantReadWriteLock();
rtLock.readLock().lock();
System.out.println(“get readLock.”);
rtLock.writeLock().lock();
System.out.println(“blocking”);

ReentrantReadWriteLock支持锁降级,如下代码不会产生死锁。

ReadWriteLock rtLock = new ReentrantReadWriteLock();
rtLock.writeLock().lock();
System.out.println(“writeLock”);

rtLock.readLock().lock();
System.out.println(“get read lock”);

以上这段代码虽然不会导致死锁,但没有正确的释放锁。从写锁降级成读锁,并不会自动释放当前线程获取的写锁,仍然需要显示的释放,否则别的线程永远也获取不到写锁。

============以下我会通过一个真实场景下的缓存机制来讲解 ReentrantReadWriteLock 实际应用============
首先来看看ReentrantReadWriteLock的javaodoc文档中提供给我们的一个很好的Cache实例代码案例:
复制代码

class CachedData {
Object data;
volatile boolean cacheValid;
final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

public void processCachedData() {
rwl.readLock().lock();
if (!cacheValid) {
// Must release read lock before acquiring write lock
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try {
// Recheck state because another thread might have,acquired write lock and changed state before we did.
if (!cacheValid) {
data = …
cacheValid = true;
}
// 在释放写锁之前通过获取读锁降级写锁(注意此时还没有释放写锁)
rwl.readLock().lock();
} finally {
rwl.writeLock().unlock(); // 释放写锁而此时已经持有读锁
}
}

try {
use(data);
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}

复制代码

以上代码加锁的顺序为:

1. rwl.readLock().lock();

2. rwl.readLock().unlock();

3. rwl.writeLock().lock();

4. rwl.readLock().lock();

5. rwl.writeLock().unlock();

6. rwl.readLock().unlock();

以上过程整体讲解:

1. 多个线程同时访问该缓存对象时,都加上当前对象的读锁,之后其中某个线程优先查看data数据是否为空。【加锁顺序序号:1 】

2. 当前查看的线程发现没有值则释放读锁立即加上写锁,准备写入缓存数据。(不明白为什么释放读锁的话可以查看上面讲解进入写锁的前提条件)【加锁顺序序号:2和3 】

3. 为什么还会再次判断是否为空值(!cacheValid)是因为第二个、第三个线程获得读的权利时也是需要判断是否为空,否则会重复写入数据。

4. 写入数据后先进行读锁的降级后再释放写锁。【加锁顺序序号:4和5 】

5. 最后数据数据返回前释放最终的读锁。【加锁顺序序号:6 】

如果不使用锁降级功能,如先释放写锁,然后获得读锁,在这个get过程中,可能会有其他线程竞争到写锁 或者是更新数据 则获得的数据是其他线程更新的数据,可能会造成数据的污染,即产生脏读的问题。

下面,让我们来实现真正趋于实际生产环境中的缓存案例:
复制代码

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class CacheDemo {
/**
* 缓存器,这里假设需要存储1000左右个缓存对象,按照默认的负载因子0.75,则容量=750,大概估计每一个节点链表长度为5个
* 那么数组长度大概为:150,又有雨设置map大小一般为2的指数,则最近的数字为:128
*/
private Map<String, Object> map = new HashMap<>(128);
private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public static void main(String[] args) {

}
public Object get(String id){
Object value = null;
rwl.readLock().lock();//首先开启读锁,从缓存中去取
try{
if(map.get(id) == null){  //如果缓存中没有释放读锁,上写锁
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try{
if(value == null){ //防止多写线程重复查询赋值
value = “redis-value”;  //此时可以去数据库中查找,这里简单的模拟一下
}
rwl.readLock().lock(); //加读锁降级写锁,不明白的可以查看上面锁降级的原理与保持读取数据原子性的讲解
}finally{
rwl.writeLock().unlock(); //释放写锁
}
}
}finally{
rwl.readLock().unlock(); //最后释放读锁
}
return value;
}
}

复制代码

提示:读写锁之后有一个与它配合使用的有条件的阻塞,可以实现线程间的通信,它就是Condition。具体详情请查看我的博客:并发库应用之六 & 有条件阻塞Condition应用

 



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