Java多线程并发07——锁在Java中的实现

2023-02-01 07:13:08

上一篇文章中，我们已经介绍过了各种锁，让各位对锁有了一定的了解。接下来将为各位介绍锁在Java中的实现。关注我的公众号「Java面典」了解更多 Java 相关知识点。

在 Java 中主要通过使用synchronized 、 volatile关键字，及 Lock 接口的子类 ReentrantLock 和 ReadWriteLock 等来实现加锁。

synchronized

属性

synchronized 属于独占式的悲观锁，同时属于可重入锁。

作用

synchronized 可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。其在不同场景下的作用范围如下：

作用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；
作用于静态方法时，锁住的是Class实例，会锁住所有调用该方法的线程。（又因为Class的相关数据存储在永久代 PermGen【Jdk1.8 则是 metaspace】，永久代是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁）；
作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。

实现

它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

Wait Set：存储调用 wait 方法被阻塞的线程；
Contention List（竞争队列）：所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中；
OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程成为 OnDeck；
Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner；
!Owner：当前释放锁的线程。

参考资料

volatile

属性

比 sychronized 更轻量级的同步锁

适用场景

使用 volatile 必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：

对变量的写操作不依赖于当前值（比如 i++），或者说是单纯的变量赋值（boolean flag = true）；
不同的 volatile 变量之间，不能互相依赖，只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

对 volatile 变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如 long 和 double 类型变量，但是并不能保证 i++ 这种操作的原子性，因为本质上 i++ 是读、写两次操作。

Lock

Java 中的锁都实现于 Lock 接口，主要方法有：

void lock()：用于获取锁。如果锁可用，则获取锁。若锁不可用，将禁用当前线程，直到取到锁；
boolean tryLock()：尝试获取锁。如果锁可用，则获取锁，并返回 true，否则返回 false；

该方法和lock()的区别在于，如果锁不可用，tryLock()不会导致当前线程被禁用。
tryLock(long timeout TimeUnit unit)：如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持，则获取该锁。
void unlock()：释放锁。锁只能由持有者释放，如果线程并不持有锁，却执行该方法。可能导致异常的发生；
Condition newCondition()：条件对象，获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的 await()方法，而调用后，当前线程将缩放锁；
getHoldCount() ：查询当前线程保持此锁的次数。
getQueueLength（）：返回正等待获取此锁的线程估计数。比如启动 10 个线程，1 个线程获得锁，此时返回的是 9；
getWaitQueueLength：（Condition condition）返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程，用同一个 condition 对象，并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法，那么此时执行此方法返回 10；
hasWaiters(Condition condition)：查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition)。对于指定 contidion 对象，有多少线程执行了 condition.await 方法；
hasQueuedThread(Thread thread)：查询给定线程是否等待获取此锁；
hasQueuedThreads()：是否有线程等待此锁；
isFair()：该锁是否公平锁；
isHeldByCurrentThread()：当前线程是否保持锁锁定，线程的执行 lock 方法的前后分别是 false 和 true；
isLock()：此锁是否有任意线程占用；
lockInterruptibly（）：如果当前线程未被中断，获取锁。

tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别

tryLock 能获得锁就返回 true，不能就立即返回 false，tryLock(long timeout,TimeUnit unit)，可以增加时间限制，如果超过该时间段还没获得锁，返回 false；
lock 能获得锁就返回 true，不能的话一直等待获得锁；
lock 和 lockInterruptibly，如果两个线程分别执行这两个方法，但此时中断这两个线程，lock 不会抛出异常，而 lockInterruptibly 会抛出异常。

Condition

作用

Condition 的作用是对锁进行更精确的控制。对于同一个锁，我们可以创建多个 Condition，在不同的情况下使用不同的 Condition。

Condition 和 Object

相似之处：

Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效；
Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效；
Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效。

不同处：

ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程，而 object 的唤醒是随机的；
Object中的 wait()、notify()、notifyAll() 方法是和 "同步锁"(synchronized关键字) 捆绑使用的；而Condition是需要与 "互斥锁"/"共享锁" 捆绑使用的。

ReentrantLock

属性

可重入锁。

特点

除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

与 synchronized 的区别

ReentrantLock 需要通过方法 lock() 与 unlock() 手动进行加锁与解锁操作，而 synchronized 会被 JVM 自动加锁、解锁；
ReentrantLock 相比 synchronized 的优势是可中断、公平锁、多个锁。

public class MyLock {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

//    Lock lock = new ReentrantLock(true); //公平锁

//    Lock lock = new ReentrantLock(false); //非公平锁

    private Condition condition = lock.newCondition(); //创建 Condition

    public void testMethod() {

        try {

            lock.lock(); //lock 加锁

            // 1：wait 方法等待：

            //System.out.println("开始 wait");

            condition.await();

            // 通过创建 Condition 对象来使线程 wait，必须先执行 lock.lock 方法获得锁

            // 2：signal 方法唤醒

            condition.signal(); //condition 对象的 signal 方法可以唤醒 wait 线程

            for (int i = 0; i < 5; i++) {

                System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName() + (" " + (i + 1)));

            }

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

}

ReadWriteLock

属性

共享锁（读-写锁）

特点

如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的，在一定程度上提高了程序的执行效率；
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，代码只要上好相应的锁即可）。

使用原则

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。

CountDownLatch（线程计数器）

作用

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。

final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

new Thread() {

    public void run() {

        System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");

        Thread.sleep(3000);

        System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");

        latch.countDown();

    }

    ;

}.start();

new Thread() {

    public void run() {

        System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "正在执行");

        Thread.sleep(3000);

        System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");

        latch.countDown();

    }

    ;

}.start();

System.out.println("等待 2 个子线程执行完毕...");

latch.await();

System.out.println("2 个子线程已经执行完毕");

System.out.println("继续执行主线程");

CyclicBarrierr（回环栅栏-等待至 barrier 状态再全部同时执行）

作用

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。

主要方法

CyclicBarrier 中最重要的方法就是 await 方法，它有 2 个重载版本：

public int await()：用来挂起当前线程，直至所有线程都到达 barrier 状态再同时执行后续任务；
public int await(long timeout, TimeUnit unit)：让这些线程等待至一定的时间，如果还有线程没有到达 barrier 状态就直接让到达 barrier 的线程执行后续任务。

public static void main(String[] args) {

        int N = 4;

        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(N);

        for (int i = 0; i < N; i++)

            new Writer(barrier).start();

    }

    static class Writer extends Thread {

        private CyclicBarrier cyclicBarrier;

        public Writer(CyclicBarrier cyclicBarrier) {

            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;

        }

        @Override

        public void run() {

            try {

                Thread.sleep(5000); //以睡眠来模拟线程需要预定写入数据操作

                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "写入数据完 毕，等待其他线程写入完毕");

                cyclicBarrier.await();

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            } catch (BrokenBarrierException e) {

                e.printStackTrace();

            }

            System.out.println("所有线程写入完毕，继续处理其他任务，比如数据操作");

        }

    }

CountDownLatch 和 CyclicBarrier 的区别

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；
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。

Semaphore

Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信号，做完自己的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 可以用来构建一些对象池，资源池之类的，比如数据库连接池。

实现互斥锁（计数器为 1）

我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore，将其作为一种类似互斥锁的机制，这也叫二元信号量，表示两种互斥状态。

代码实现

它的用法如下：

// 创建一个计数阈值为 5 的信号量对象

// 只能 5 个线程同时访问

Semaphore semp = new Semaphore(5);

try { // 申请许可

    semp.acquire();

    try {

        // 业务逻辑

    } catch (Exception e) {

    } finally {

        // 释放许可

        semp.release();

    }

} catch (InterruptedException e) {

}

Semaphore 与 ReentrantLock 相似处

Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作，使用方法也有许多类似之处：

都需要手动加锁。通过 acquire() 与 release() 方法来获得和释放资源；
Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁，与 ReentrantLock.lockInterruptibly() 作用效果一致，也就是说在等待临界资源的过程中可以被 Thread.interrupt() 方法中断；
Semaphore 也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能，除了方法名 tryAcquire 与 tryLock不同，其使用方法与 ReentrantLock 几乎一致；
Semaphore 也提供了公平与非公平锁的机制，也可在构造函数中进行设定；
锁释放方式相同。与 ReentrantLock 一样 Semaphore 的锁释放操作也由手动进行。同时，为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生，释放锁的操作也必须在 finally 代码块中完成。

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