1 synchronized的缺陷
synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢?
在上面一篇文章中,我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:
1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;
2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁。
那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。
再举个例子:当有多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:
如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。
另外,通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
总结一下,也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点:
1)Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;
2)Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。
2 Lock
2.1 ReentrantLock
public class LockTest { public static void main(String[] args) { new LockTest().init(); } private void init() { final Outputer outputer = new Outputer(); new Thread(new Runnable() { public void run() { while (true) { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } outputer.output("kpioneer"); } } }).start(); new Thread(new Runnable() { public void run() { while (true) { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } outputer.output("Jack"); } } }).start(); } static class Outputer { Lock lock = new ReentrantLock(); public void output(String name) { int len = name.length(); lock.lock(); /** * *不管程序运行是否异常都要释放锁 * 否则再也进入不到改页面 */ try { for (int i = 0; i < len; i++) { System.out.print(name.charAt(i)); } System.out.println(); } finally { lock.unlock(); } } } }
kpioneer Jack kpioneer Jack kpioneer Jack Jack kpioneer Jack kpioneer 省略...
2.2 ReentrantReadWriteLock
实中有这样一种场景:对共享资源有读和写的操作,且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候,多个线程同时读一个资源没有任何问题,所以应该允许多个线程同时读取共享资源;但是如果一个线程想去写这些共享资源,就不应该允许其他线程对该资源进行读和写的操作了。
针对这种场景,JAVA的并发包提供了读写锁ReentrantReadWriteLock,它表示两个锁,一个是读操作相关的锁,称为共享锁;一个是写相关的锁,称为排他锁,描述如下:
线程进入读锁的前提条件:
没有其他线程的写锁,
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:
没有其他线程的读锁
没有其他线程的写锁
而读写锁有以下三个重要的特性:
(1)公平选择性:支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量还是非公平优于公平。
(2)重进入:读锁和写锁都支持线程重进入。
(3)锁降级:遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁。
public class ReadWriteLockTest { public static void main(String[] args) { final Queue q = new Queue(); for (int i = 0; i < 3; i++) { new Thread() { public void run() { while (true) { q.get(); } } }.start(); new Thread() { public void run() { while (true) { q.put(new Random().nextInt(10000)); } } }.start(); } } } class Queue { //共享数据,只能有一个线程能写该数据,但可以有多个线程同时读该数据。 ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); private Object data = null;//共享数据,只能有一个线程能写数据,但可以有多个线程读该数据 public void get() { //上读锁,其他线程只能读不能写 rwl.readLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to read data!"); Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have read data :" + data); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { rwl.readLock().unlock(); } } public void put(Object data) { //上写锁,不允许其他线程读也不允许写 rwl.writeLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " be ready to write data!"); Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000)); this.data = data; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " have write data: " + data); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { rwl.writeLock().unlock(); } } }
Thread-0 be ready to read data! Thread-2 be ready to read data! Thread-2 have read data :null Thread-0 have read data :null Thread-1 be ready to write data! Thread-1 have write data: 4664 Thread-1 be ready to write data! Thread-1 have write data: 1849 Thread-3 be ready to write data! Thread-3 have write data: 75 Thread-3 be ready to write data! Thread-3 have write data: 8222 Thread-3 be ready to write data! Thread-3 have write data: 3056 Thread-3 be ready to write data! Thread-3 have write data: 6114 Thread-3 be ready to write data! Thread-3 have write data: 6376 省略...
3 锁的相关概念介绍
在前面介绍了Lock的基本使用,这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。
3.1 可重入锁
如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。
看下面这段代码就明白了:
class MyClass { public synchronized void method1() { method2(); } public synchronized void method2() { } }
上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。
而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。
3.2 可中断锁
可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。
在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。
如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。
在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。
3.3 公平锁
公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。
而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。
看一下这2个类的源代码就清楚了:
/** * Base of synchronization control for this lock. Subclassed * into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to * represent the number of holds on the lock. */ abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L; /** * Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing * is to allow fast path for nonfair version. */ abstract void lock(); /** * Performs non-fair tryLock. tryAcquire is implemented in * subclasses, but both need nonfair try for trylock method. */ 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; } protected final boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } protected final boolean isHeldExclusively() { // While we must in general read state before owner, // we don't need to do so to check if current thread is owner return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread(); } final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } // Methods relayed from outer class final Thread getOwner() { return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread(); } final int getHoldCount() { return isHeldExclusively() ? getState() : 0; } final boolean isLocked() { return getState() != 0; } /** * Reconstitutes the instance from a stream (that is, deserializes it). */ private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { s.defaultReadObject(); setState(0); // reset to unlocked state } }
/** * Sync object for non-fair locks */ static final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L; /** * Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal * acquire on failure. */ final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } } /** * Sync object for fair locks */ static final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L; final void lock() { acquire(1); } /** * Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless * recursive call or no waiters or is first. */ 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; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } }
另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如:
isFair() //判断锁是否是公平锁
isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。
3.4 读写锁
读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。
正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。
public class CacheDemo { private Map<String, Object> cache = new HashMap<>(); private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(); public static void main(String[] args) { } public Object getData(String key) { Object value = null; //首先开启读锁,从缓存中去取 readWriteLock.readLock().lock(); try { value = cache.get(key); //如果缓存中没有释放读锁,上写锁 if (value == null) { //对应queryDB() readWriteLock.readLock().unlock(); //读锁必须unlock之后才能获取写锁 readWriteLock.writeLock().lock(); try { //对应queryDB() value = queryDB(); } finally { //释放写锁 readWriteLock.writeLock().unlock(); } //然后再上读锁 readWriteLock.readLock().lock(); } } finally { //最后释放读锁 readWriteLock.readLock().unlock(); } return value; } public Object queryDB() { return "aaaa"; } }