为了更好的支持并发程序,JDK内部提供了多种锁。本文总结4种锁。

1.synchronized同步锁

使用

synchronized本质上就2种锁:

1.锁同步代码块

2.锁方法

可用object.wait() object.notify()来操作线程等待唤醒

原理:synchronized细节的描述传送门:jdk源码剖析三:锁Synchronized

性能和建议:JDK6之后,在并发量不是特别大的情况下,性能中等且稳定。建议新手使用。

2.ReentrantLock可重入锁(Lock接口)

使用:ReentrantLock是Lock接口的实现类。Lock接口的核心方法是lock(),unlock(),tryLock()。可用Condition来操作线程:

如上图,await()和object.wait()类似,singal()和object.notify()类似,singalAll()和object.notifyAll()类似

原理:核心类AbstractQueuedSynchronizer,通过构造一个基于阻塞的CLH队列容纳所有的阻塞线程,而对该队列的操作均通过Lock-Free(CAS)操作,但对已经获得锁的线程而言,ReentrantLock实现了偏向锁的功能。

性能和建议:性能中等,建议需要手动操作线程时使用。

 

3.ReentrantReadWriteLock可重入读写锁(ReadWriteLock接口)

使用:ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock接口的实现类。ReadWriteLock接口的核心方法是readLock(),writeLock()。实现了并发读、互斥写。但读锁会阻塞写锁,是悲观锁的策略。

原理:类图如下:

JDK1.8下,如图ReentrantReadWriteLock有5个静态方法:

  • Sync:继承于经典的AbstractQueuedSynchronizer(传说中的AQS),是一个抽象类,包含2个抽象方法readerShouldBlock();writerShouldBlock()
  • FairSync和NonfairSync:继承于Sync,分别实现了公平/非公平锁。
  • ReadLock和WriteLock:都是Lock实现类,分别实现了读、写锁。ReadLock是共享的,而WriteLock是独占的。于是Sync类覆盖了AQS中独占和共享模式的抽象方法(tryAcquire/tryAcquireShared等),用同一个等待队列来维护读/写排队线程,而用一个32位int state标示和记录读/写锁重入次数--Doug Lea把状态的高16位用作读锁,记录所有读锁重入次数之和,低16位用作写锁,记录写锁重入次数。所以无论是读锁还是写锁最多只能被持有65535次。

性能和建议:适用于读多写少的情况。性能较高。

  • 公平性
  1. 非公平锁(默认),为了防止写线程饿死,规则是:当等待队列头部结点是独占模式(即要获取写锁的线程)时,只有获取独占锁线程可以抢占,而试图获取共享锁的线程必须进入队列阻塞;当队列头部结点是共享模式(即要获取读锁的线程)时,试图获取独占和共享锁的线程都可以抢占。
  2. 公平锁,利用AQS的等待队列,线程按照FIFO的顺序获取锁,因此不存在写线程一直等待的问题。
  • 重入性:读写锁均是可重入的,读/写锁重入次数保存在了32位int state的高/低16位中。而单个读线程的重入次数,则记录在ThreadLocalHoldCounter类型的readHolds里。
  • 锁降级:写线程获取写入锁后可以获取读取锁,然后释放写入锁,这样就从写入锁变成了读取锁,从而实现锁降级。
  • 锁获取中断:读取锁和写入锁都支持获取锁期间被中断。
  • 条件变量:写锁提供了条件变量(Condition)的支持,这个和独占锁ReentrantLock一致,但是读锁却不允许,调用readLock().newCondition()会抛出UnsupportedOperationException异常。

应用:

4.StampedLock戳锁

使用

StampedLock控制锁有三种模式(排它写,悲观读,乐观读),一个StampedLock状态是由版本和模式两个部分组成,锁获取方法返回一个数字作为票据stamp,它用相应的锁状态表示并控制访问。下面是JDK1.8源码自带的示例:

 public class StampedLockDemo {
//一个点的x,y坐标
private double x,y;
private final StampedLock sl = new StampedLock(); //【写锁(排它锁)】
void move(double deltaX,double deltaY) {// an exclusively locked method
/**stampedLock调用writeLock和unlockWrite时候都会导致stampedLock的stamp值的变化
* 即每次+1,直到加到最大值,然后从0重新开始
**/
long stamp =sl.writeLock(); //写锁
try {
x +=deltaX;
y +=deltaY;
} finally {
sl.unlockWrite(stamp);//释放写锁
}
} //【乐观读锁】
double distanceFromOrigin() { // A read-only method
/**
* tryOptimisticRead是一个乐观的读,使用这种锁的读不阻塞写
* 每次读的时候得到一个当前的stamp值(类似时间戳的作用)
*/
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
//这里就是读操作,读取x和y,因为读取x时,y可能被写了新的值,所以下面需要判断
double currentX = x, currentY = y;
/**如果读取的时候发生了写,则stampedLock的stamp属性值会变化,此时需要重读,
* 再重读的时候需要加读锁(并且重读时使用的应当是悲观的读锁,即阻塞写的读锁)
* 当然重读的时候还可以使用tryOptimisticRead,此时需要结合循环了,即类似CAS方式
* 读锁又重新返回一个stampe值*/
if (!sl.validate(stamp)) {//如果验证失败(读之前已发生写)
stamp = sl.readLock(); //悲观读锁
try {
currentX = x;
currentY = y;
}finally{
sl.unlockRead(stamp);//释放读锁
}
}
//读锁验证成功后执行计算,即读的时候没有发生写
return Math.sqrt(currentX *currentX + currentY *currentY);
} //【悲观读锁】
void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
// 读锁(这里可用乐观锁替代)
long stamp = sl.readLock();
try {
//循环,检查当前状态是否符合
while (x == 0.0 && y == 0.0) {
/**
* 转换当前读戳为写戳,即上写锁
* 1.写锁戳,直接返回写锁戳
* 2.读锁戳且写锁可获得,则释放读锁,返回写锁戳
* 3.乐观读戳,当立即可用时返回写锁戳
* 4.其他情况返回0
*/
long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
//如果写锁成功
if (ws != 0L) {
stamp = ws;// 替换票据为写锁
x = newX;//修改数据
y = newY;
break;
}
//转换为写锁失败
else {
//释放读锁
sl.unlockRead(stamp);
//获取写锁(必要情况下阻塞一直到获取写锁成功)
stamp = sl.writeLock();
}
}
} finally {
//释放锁(可能是读/写锁)
sl.unlock(stamp);
}
}
}

原理

StampedLockd的内部实现是基于CLH锁的,一种自旋锁,保证没有饥饿且FIFO。

CLH锁原理:锁维护着一个等待线程队列,所有申请锁且失败的线程都记录在队列。一个节点代表一个线程,保存着一个标记位locked,用以判断当前线程是否已经释放锁。当一个线程试图获取锁时,从队列尾节点作为前序节点,循环判断所有的前序节点是否已经成功释放锁。

如上图所示,StampedLockd源码中的WNote就是等待链表队列,每一个WNode标识一个等待线程,whead为CLH队列头,wtail为CLH队列尾,state为锁的状态。long型即64位,倒数第八位标识写锁状态,如果为1,标识写锁占用!下面围绕这个state来讲述锁操作。

首先是常量标识:

WBIT=1000 0000(即-128)

RBIT =0111 1111(即127)

SBIT =1000 0000(后7位表示当前正在读取的线程数量,清0)

1.乐观读

tryOptimisticRead():如果当前没有写锁占用,返回state(后7位清0,即清0读线程数),如果有写锁,返回0,即失败。

2.校验stamp

校验这个戳是否有效validate():比较当前stamp和发生乐观锁得到的stamp比较,不一致则失败。

3.悲观读

乐观锁失败后锁升级为readLock():尝试state+1,用于统计读线程的数量,如果失败,进入acquireRead()进行自旋,通过CAS获取锁。如果自旋失败,入CLH队列,然后再自旋,如果成功获得读锁,激活cowait队列中的读线程Unsafe.unpark(),最终依然失败,Unsafe().park()挂起当前线程。

4.排它写

writeLock():典型的cas操作,如果STATE等于s,设置写锁位为1(s+WBIT)。acquireWrite跟acquireRead逻辑类似,先自旋尝试、加入等待队列、直至最终Unsafe.park()挂起线程。

5.释放锁

unlockWrite():释放锁与加锁动作相反。将写标记位清零,如果state溢出,则退回到初始值;

性能和建议:JDK8之后才有,当高并发下且读远大于写时,由于可以乐观读,性能极高!

5.总结

4种锁,最稳定是内置synchronized锁(并不是完全被替代),当并发量大且读远大于写的情况下最快的的是StampedLock锁(乐观读。近似于无锁)。建议大家采用。

====================

参考:《JAVA高并发程序设计》

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