淺談Java并發(fā)編程之Lock鎖和條件變量
簡單使用Lock鎖
Java 5中引入了新的鎖機制——java.util.concurrent.locks中的顯式的互斥鎖:Lock接口,它提供了比synchronized更加廣泛的鎖定操作。Lock接口有3個實現(xiàn)它的類:ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock,即重入鎖、讀鎖和寫鎖。lock必須被顯式地創(chuàng)建、鎖定和釋放,為了可以使用更多的功能,一般用ReentrantLock為其實例化。為了保證鎖最終一定會被釋放(可能會有異常發(fā)生),要把互斥區(qū)放在try語句塊內,并在finally語句塊中釋放鎖,尤其當有return語句時,return語句必須放在try字句中,以確保unlock()不會過早發(fā)生,從而將數據暴露給第二個任務。因此,采用lock加鎖和釋放鎖的一般形式如下:
Lock lock = new ReentrantLock();//默認使用非公平鎖,如果要使用公平鎖,需要傳入參數true ........ lock.lock(); try { //更新對象的狀態(tài) //捕獲異常,必要時恢復到原來的不變約束 //如果有return語句,放在這里 } finally { lock.unlock(); //鎖必須在finally塊中釋放 }
ReetrankLock與synchronized比較
性能比較
在JDK1.5中,synchronized是性能低效的。因為這是一個重量級操作,它對性能最大的影響是阻塞的是實現(xiàn),掛起線程和恢復線程的操作都需要轉入內核態(tài)中完成,這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性帶來了很大的壓力。相比之下使用Java提供的Lock對象,性能更高一些。Brian Goetz對這兩種鎖在JDK1.5、單核處理器及雙Xeon處理器環(huán)境下做了一組吞吐量對比的實驗,發(fā)現(xiàn)多線程環(huán)境下,synchronized的吞吐量下降的非常嚴重,而ReentrankLock則能基本保持在同一個比較穩(wěn)定的水平上。但與其說ReetrantLock性能好,倒不如說synchronized還有非常大的優(yōu)化余地,于是到了JDK1.6,發(fā)生了變化,對synchronize加入了很多優(yōu)化措施,有自適應自旋,鎖消除,鎖粗化,輕量級鎖,偏向鎖等等。導致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示,他們也更支持synchronize,在未來的版本中還有優(yōu)化余地,所以還是提倡在synchronized能實現(xiàn)需求的情況下,優(yōu)先考慮使用synchronized來進行同步。
下面淺析以下兩種鎖機制的底層的實現(xiàn)策略。
互斥同步最主要的問題就是進行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題,因而這種同步又稱為阻塞同步,它屬于一種悲觀的并發(fā)策略,即線程獲得的是獨占鎖。獨占鎖意味著其他線程只能依靠阻塞來等待線程釋放鎖。而在CPU轉換線程阻塞時會引起線程上下文切換,當有很多線程競爭鎖的時候,會引起CPU頻繁的上下文切換導致效率很低。synchronized采用的便是這種并發(fā)策略。
隨著指令集的發(fā)展,我們有了另一種選擇:基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略,通俗地講就是先進性操作,如果沒有其他線程爭用共享數據,那操作就成功了,如果共享數據被爭用,產生了沖突,那就再進行其他的補償措施(最常見的補償措施就是不斷地重拾,直到試成功為止),這種樂觀的并發(fā)策略的許多實現(xiàn)都不需要把線程掛起,因此這種同步被稱為非阻塞同步。ReetrantLock采用的便是這種并發(fā)策略。
在樂觀的并發(fā)策略中,需要操作和沖突檢測這兩個步驟具備原子性,它靠硬件指令來保證,這里用的是CAS操作(Compare and Swap)。JDK1.5之后,Java程序才可以使用CAS操作。我們可以進一步研究ReentrantLock的源代碼,會發(fā)現(xiàn)其中比較重要的獲得鎖的一個方法是compareAndSetState,這里其實就是調用的CPU提供的特殊指令?,F(xiàn)代的CPU提供了指令,可以自動更新共享數據,而且能夠檢測到其他線程的干擾,而compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。這個算法稱作非阻塞算法,意思是一個線程的失敗或者掛起不應該影響其他線程的失敗或掛起。
Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性變量類,它們提供的如:compareAndSet()、incrementAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了CAS操作。因此,它們都是由硬件指令來保證的原子方法。
用途比較
基本語法上,ReentrantLock與synchronized很相似,它們都具備一樣的線程重入特性,只是代碼寫法上有點區(qū)別而已,一個表現(xiàn)為API層面的互斥鎖(Lock),一個表現(xiàn)為原生語法層面的互斥鎖(synchronized)。ReentrantLock相對synchronized而言還是增加了一些高級功能,主要有以下三項:
1、等待可中斷:當持有鎖的線程長期不釋放鎖時,正在等待的線程可以選擇放棄等待,改為處理其他事情,它對處理執(zhí)行時間非常上的同步塊很有幫助。而在等待由synchronized產生的互斥鎖時,會一直阻塞,是不能被中斷的。
2、可實現(xiàn)公平鎖:多個線程在等待同一個鎖時,必須按照申請鎖的時間順序排隊等待,而非公平鎖則不保證這點,在鎖釋放時,任何一個等待鎖的線程都有機會獲得鎖。synchronized中的鎖時非公平鎖,ReentrantLock默認情況下也是非公平鎖,但可以通過構造方法ReentrantLock(ture)來要求使用公平鎖。
3、鎖可以綁定多個條件:ReentrantLock對象可以同時綁定多個Condition對象(名曰:條件變量或條件隊列),而在synchronized中,鎖對象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以實現(xiàn)一個隱含條件,但如果要和多于一個的條件關聯(lián)的時候,就不得不額外地添加一個鎖,而ReentrantLock則無需這么做,只需要多次調用newCondition()方法即可。而且我們還可以通過綁定Condition對象來判斷當前線程通知的是哪些線程(即與Condition對象綁定在一起的其他線程)。
可中斷鎖
ReetrantLock有兩種鎖:忽略中斷鎖和響應中斷鎖。忽略中斷鎖與synchronized實現(xiàn)的互斥鎖一樣,不能響應中斷,而響應中斷鎖可以響應中斷。
如果某一線程A正在執(zhí)行鎖中的代碼,另一線程B正在等待獲取該鎖,可能由于等待時間過長,線程B不想等待了,想先處理其他事情,我們可以讓它中斷自己或者在別的線程中中斷它,如果此時ReetrantLock提供的是忽略中斷鎖,則它不會去理會該中斷,而是讓線程B繼續(xù)等待,而如果此時ReetrantLock提供的是響應中斷鎖,那么它便會處理中斷,讓線程B放棄等待,轉而去處理其他事情。
獲得響應中斷鎖的一般形式如下:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); ........... lock.lockInterruptibly();//獲取響應中斷鎖 try { //更新對象的狀態(tài) //捕獲異常,必要時恢復到原來的不變約束 //如果有return語句,放在這里 }finally{ lock.unlock(); //鎖必須在finally塊中釋放 }
這里有一個不錯的分析中斷的示例代碼(摘自網上)
當用synchronized中斷對互斥鎖的等待時,并不起作用,該線程依然會一直等待,如下面的實例:
public class Buffer { private Object lock; public Buffer() { lock = this; } public void write() { synchronized (lock) { long startTime = System.currentTimeMillis(); System.out.println("開始往這個buff寫入數據…"); for (;;)// 模擬要處理很長時間 { if (System.currentTimeMillis() - startTime > Integer.MAX_VALUE) { break; } } System.out.println("終于寫完了"); } } public void read() { synchronized (lock) { System.out.println("從這個buff讀數據"); } } public static void main(String[] args) { Buffer buff = new Buffer(); final Writer writer = new Writer(buff); final Reader reader = new Reader(buff); writer.start(); reader.start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { long start = System.currentTimeMillis(); for (;;) { //等5秒鐘去中斷讀 if (System.currentTimeMillis() - start > 5000) { System.out.println("不等了,嘗試中斷"); reader.interrupt(); //嘗試中斷讀線程 break; } } } }).start(); // 我們期待“讀”這個線程能退出等待鎖,可是事與愿違,一旦讀這個線程發(fā)現(xiàn)自己得不到鎖, // 就一直開始等待了,就算它等死,也得不到鎖,因為寫線程要21億秒才能完成 T_T ,即使我們中斷它, // 它都不來響應下,看來真的要等死了。這個時候,ReentrantLock給了一種機制讓我們來響應中斷, // 讓“讀”能伸能屈,勇敢放棄對這個鎖的等待。我們來改寫B(tài)uffer這個類,就叫BufferInterruptibly吧,可中斷緩存。 } } class Writer extends Thread { private Buffer buff; public Writer(Buffer buff) { this.buff = buff; } @Override public void run() { buff.write(); } } class Reader extends Thread { private Buffer buff; public Reader(Buffer buff) { this.buff = buff; } @Override public void run() { buff.read();//這里估計會一直阻塞 System.out.println("讀結束"); } }
執(zhí)行結果如下:
我們等待了很久,后面依然沒有輸出,說明讀線程對互斥鎖的等待并沒有被中斷,也就是該戶吃鎖沒有響應對讀線程的中斷。 我們再將上面代碼中synchronized的互斥鎖改為ReentrantLock的響應中斷鎖,即改為如下代碼:
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class BufferInterruptibly { private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void write() { lock.lock(); try { long startTime = System.currentTimeMillis(); System.out.println("開始往這個buff寫入數據…"); for (;;)// 模擬要處理很長時間 { if (System.currentTimeMillis() - startTime > Integer.MAX_VALUE) { break; } } System.out.println("終于寫完了"); } finally { lock.unlock(); } } public void read() throws InterruptedException { lock.lockInterruptibly();// 注意這里,可以響應中斷 try { System.out.println("從這個buff讀數據"); } finally { lock.unlock(); } } public static void main(String args[]) { BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly(); final Writer2 writer = new Writer2(buff); final Reader2 reader = new Reader2(buff); writer.start(); reader.start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { long start = System.currentTimeMillis(); for (;;) { if (System.currentTimeMillis() - start > 5000) { System.out.println("不等了,嘗試中斷"); reader.interrupt(); //此處中斷讀操作 break; } } } }).start(); } } class Reader2 extends Thread { private BufferInterruptibly buff; public Reader2(BufferInterruptibly buff) { this.buff = buff; } @Override public void run() { try { buff.read();//可以收到中斷的異常,從而有效退出 } catch (InterruptedException e) { System.out.println("我不讀了"); } System.out.println("讀結束"); } } class Writer2 extends Thread { private BufferInterruptibly buff; public Writer2(BufferInterruptibly buff) { this.buff = buff; } @Override public void run() { buff.write(); } }
執(zhí)行結果如下:
從結果中可以看出,嘗試中斷后輸出了catch語句塊中的內容,也輸出了后面的“讀結束”,說明線程對互斥鎖的等待被中斷了,也就是該互斥鎖響應了對讀線程的中斷。
條件變量實現(xiàn)線程間協(xié)作
在生產者——消費者模型一文中,我們用synchronized實現(xiàn)互斥,并配合使用Object對象的wait()和notify()或notifyAll()方法來實現(xiàn)線程間協(xié)作。Java 5之后,我們可以用Reentrantlock鎖配合Condition對象上的await()和signal()或signalAll()方法來實現(xiàn)線程間協(xié)作。在ReentrantLock對象上newCondition()可以得到一個Condition對象,可以通過在Condition上調用await()方法來掛起一個任務(線程),通過在Condition上調用signal()來通知任務,從而喚醒一個任務,或者調用signalAll()來喚醒所有在這個Condition上被其自身掛起的任務。另外,如果使用了公平鎖,signalAll()的與Condition關聯(lián)的所有任務將以FIFO隊列的形式獲取鎖,如果沒有使用公平鎖,則獲取鎖的任務是隨機的,這樣我們便可以更好地控制處在await狀態(tài)的任務獲取鎖的順序。與notifyAll()相比,signalAll()是更安全的方式。另外,它可以指定喚醒與自身Condition對象綁定在一起的任務。
下面將生產者——消費者模型一文中的代碼改為用條件變量實現(xiàn),如下:
import java.util.concurrent.*; import java.util.concurrent.locks.*; class Info{ // 定義信息類 private String name = "name";//定義name屬性,為了與下面set的name屬性區(qū)別開 private String content = "content" ;// 定義content屬性,為了與下面set的content屬性區(qū)別開 private boolean flag = true ; // 設置標志位,初始時先生產 private Lock lock = new ReentrantLock(); private Condition condition = lock.newCondition(); //產生一個Condition對象 public void set(String name,String content){ lock.lock(); try{ while(!flag){ condition.await() ; } this.setName(name) ; // 設置名稱 Thread.sleep(300) ; this.setContent(content) ; // 設置內容 flag = false ; // 改變標志位,表示可以取走 condition.signal(); }catch(InterruptedException e){ e.printStackTrace() ; }finally{ lock.unlock(); } } public void get(){ lock.lock(); try{ while(flag){ condition.await() ; } Thread.sleep(300) ; System.out.println(this.getName() + " --> " + this.getContent()) ; flag = true ; // 改變標志位,表示可以生產 condition.signal(); }catch(InterruptedException e){ e.printStackTrace() ; }finally{ lock.unlock(); } } public void setName(String name){ this.name = name ; } public void setContent(String content){ this.content = content ; } public String getName(){ return this.name ; } public String getContent(){ return this.content ; } } class Producer implements Runnable{ // 通過Runnable實現(xiàn)多線程 private Info info = null ; // 保存Info引用 public Producer(Info info){ this.info = info ; } public void run(){ boolean flag = true ; // 定義標記位 for(int i=0;i<10;i++){ if(flag){ this.info.set("姓名--1","內容--1") ; // 設置名稱 flag = false ; }else{ this.info.set("姓名--2","內容--2") ; // 設置名稱 flag = true ; } } } } class Consumer implements Runnable{ private Info info = null ; public Consumer(Info info){ this.info = info ; } public void run(){ for(int i=0;i<10;i++){ this.info.get() ; } } } public class ThreadCaseDemo{ public static void main(String args[]){ Info info = new Info(); // 實例化Info對象 Producer pro = new Producer(info) ; // 生產者 Consumer con = new Consumer(info) ; // 消費者 new Thread(pro).start() ; //啟動了生產者線程后,再啟動消費者線程 try{ Thread.sleep(500) ; }catch(InterruptedException e){ e.printStackTrace() ; } new Thread(con).start() ; } }
執(zhí)行后,同樣可以得到如下的結果:
姓名--1 --> 內容--1
姓名--2 --> 內容--2
姓名--1 --> 內容--1
姓名--2 --> 內容--2
姓名--1 --> 內容--1
姓名--2 --> 內容--2
姓名--1 --> 內容--1
姓名--2 --> 內容--2
姓名--1 --> 內容--1
姓名--2 --> 內容--2
從以上并不能看出用條件變量的await()、signal()、signalAll()方法比用Object對象的wait()、notify()、notifyAll()方法實現(xiàn)線程間協(xié)作有多少優(yōu)點,但它在處理更復雜的多線程問題時,會有明顯的優(yōu)勢。所以,Lock和Condition對象只有在更加困難的多線程問題中才是必須的。
讀寫鎖
另外,synchronized獲取的互斥鎖不僅互斥讀寫操作、寫寫操作,還互斥讀讀操作,而讀讀操作時不會帶來數據競爭的,因此對對讀讀操作也互斥的話,會降低性能。Java 5中提供了讀寫鎖,它將讀鎖和寫鎖分離,使得讀讀操作不互斥,獲取讀鎖和寫鎖的一般形式如下:
ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); rwl.writeLock().lock() //獲取寫鎖 rwl.readLock().lock() //獲取讀鎖
用讀鎖來鎖定讀操作,用寫鎖來鎖定寫操作,這樣寫操作和寫操作之間會互斥,讀操作和寫操作之間會互斥,但讀操作和讀操作就不會互斥。
《Java并發(fā)編程實踐》一書給出了使用 ReentrantLock的最佳時機:
當你需要以下高級特性時,才應該使用:可定時的、可輪詢的與可中斷的鎖獲取操作,公平隊列,或者非塊結構的鎖。否則,請使用synchronized。
到此這篇關于淺談Java并發(fā)編程之Lock鎖和條件變量的文章就介紹到這了,更多相關Java并發(fā)編程之Lock鎖和條件變量內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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