淺談Java并發(fā)編程之Lock鎖和條件變量
簡(jiǎn)單使用Lock鎖
Java 5中引入了新的鎖機(jī)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(gè)實(shí)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(shí)例化。為了保證鎖最終一定會(huì)被釋放(可能會(huì)有異常發(fā)生),要把互斥區(qū)放在try語(yǔ)句塊內(nèi),并在finally語(yǔ)句塊中釋放鎖,尤其當(dāng)有return語(yǔ)句時(shí),return語(yǔ)句必須放在try字句中,以確保unlock()不會(huì)過(guò)早發(fā)生,從而將數(shù)據(jù)暴露給第二個(gè)任務(wù)。因此,采用lock加鎖和釋放鎖的一般形式如下:
Lock lock = new ReentrantLock();//默認(rèn)使用非公平鎖,如果要使用公平鎖,需要傳入?yún)?shù)true
........
lock.lock();
try {
//更新對(duì)象的狀態(tài)
//捕獲異常,必要時(shí)恢復(fù)到原來(lái)的不變約束
//如果有return語(yǔ)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?yàn)檫@是一個(gè)重量級(jí)操作,它對(duì)性能最大的影響是阻塞的是實(shí)現(xiàn),掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成,這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性帶來(lái)了很大的壓力。相比之下使用Java提供的Lock對(duì)象,性能更高一些。Brian Goetz對(duì)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(duì)比的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)多線程環(huán)境下,synchronized的吞吐量下降的非常嚴(yán)重,而ReentrankLock則能基本保持在同一個(gè)比較穩(wěn)定的水平上。但與其說(shuō)ReetrantLock性能好,倒不如說(shuō)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(duì)synchronize加入了很多優(yōu)化措施,有自適應(yīng)自旋,鎖消除,鎖粗化,輕量級(jí)鎖,偏向鎖等等。導(dǎo)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(lái)的版本中還有優(yōu)化余地,所以還是提倡在synchronized能實(shí)現(xiàn)需求的情況下,優(yōu)先考慮使用synchronized來(lái)進(jìn)行同步。
下面淺析以下兩種鎖機(jī)制的底層的實(shí)現(xiàn)策略。
互斥同步最主要的問(wèn)題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來(lái)的性能問(wèn)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(dú)占鎖。獨(dú)占鎖意味著其他線程只能依靠阻塞來(lái)等待線程釋放鎖。而在CPU轉(zhuǎn)換線程阻塞時(shí)會(huì)引起線程上下文切換,當(dāng)有很多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候,會(huì)引起CPU頻繁的上下文切換導(dǎo)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(cè)的樂觀并發(fā)策略,通俗地講就是先進(jìn)性操作,如果沒有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù),那操作就成功了,如果共享數(shù)據(jù)被爭(zhēng)用,產(chǎn)生了沖突,那就再進(jìn)行其他的補(bǔ)償措施(最常見的補(bǔ)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(shí)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(cè)這兩個(gè)步驟具備原子性,它靠硬件指令來(lái)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(jìn)一步研究ReentrantLock的源代碼,會(huì)發(fā)現(xiàn)其中比較重要的獲得鎖的一個(gè)方法是compareAndSetState,這里其實(shí)就是調(diào)用的CPU提供的特殊指令。現(xiàn)代的CPU提供了指令,可以自動(dòng)更新共享數(shù)據(jù),而且能夠檢測(cè)到其他線程的干擾,而compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。這個(gè)算法稱作非阻塞算法,意思是一個(gè)線程的失敗或者掛起不應(yīng)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(lái)保證的原子方法。
用途比較
基本語(yǔ)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(diǎn)區(qū)別而已,一個(gè)表現(xiàn)為API層面的互斥鎖(Lock),一個(gè)表現(xiàn)為原生語(yǔ)法層面的互斥鎖(synchronized)。ReentrantLock相對(duì)synchronized而言還是增加了一些高級(jí)功能,主要有以下三項(xiàng):
1、等待可中斷:當(dāng)持有鎖的線程長(zhǎng)期不釋放鎖時(shí),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(duì)處理執(zhí)行時(shí)間非常上的同步塊很有幫助。而在等待由synchronized產(chǎn)生的互斥鎖時(shí),會(huì)一直阻塞,是不能被中斷的。
2、可實(shí)現(xiàn)公平鎖:多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí),必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序排隊(duì)等待,而非公平鎖則不保證這點(diǎn),在鎖釋放時(shí),任何一個(gè)等待鎖的線程都有機(jī)會(huì)獲得鎖。synchronized中的鎖時(shí)非公平鎖,ReentrantLock默認(rèn)情況下也是非公平鎖,但可以通過(guò)構(gòu)造方法ReentrantLock(ture)來(lái)要求使用公平鎖。
3、鎖可以綁定多個(gè)條件:ReentrantLock對(duì)象可以同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象(名曰:條件變量或條件隊(duì)列),而在synchronized中,鎖對(duì)象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含條件,但如果要和多于一個(gè)的條件關(guān)聯(lián)的時(shí)候,就不得不額外地添加一個(gè)鎖,而ReentrantLock則無(wú)需這么做,只需要多次調(diào)用newCondition()方法即可。而且我們還可以通過(guò)綁定Condition對(duì)象來(lái)判斷當(dāng)前線程通知的是哪些線程(即與Condition對(duì)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(yīng)中斷鎖。忽略中斷鎖與synchronized實(shí)現(xiàn)的互斥鎖一樣,不能響應(yīng)中斷,而響應(yīng)中斷鎖可以響應(yīng)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(shí)間過(guò)長(zhǎng),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(shí)ReetrantLock提供的是忽略中斷鎖,則它不會(huì)去理會(huì)該中斷,而是讓線程B繼續(xù)等待,而如果此時(shí)ReetrantLock提供的是響應(yīng)中斷鎖,那么它便會(huì)處理中斷,讓線程B放棄等待,轉(zhuǎn)而去處理其他事情。
獲得響應(yīng)中斷鎖的一般形式如下:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
...........
lock.lockInterruptibly();//獲取響應(yīng)中斷鎖
try {
//更新對(duì)象的狀態(tài)
//捕獲異常,必要時(shí)恢復(fù)到原來(lái)的不變約束
//如果有return語(yǔ)句,放在這里
}finally{
lock.unlock(); //鎖必須在finally塊中釋放
}
這里有一個(gè)不錯(cuò)的分析中斷的示例代碼(摘自網(wǎng)上)
當(dāng)用synchronized中斷對(duì)互斥鎖的等待時(shí),并不起作用,該線程依然會(huì)一直等待,如下面的實(shí)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(gè)buff寫入數(shù)據(jù)…");
for (;;)// 模擬要處理很長(zhǎng)時(shí)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(gè)buff讀數(shù)據(jù)");
}
}
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(gè)線程能退出等待鎖,可是事與愿違,一旦讀這個(gè)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?yàn)閷懢€程要21億秒才能完成 T_T ,即使我們中斷它,
// 它都不來(lái)響應(yīng)下,看來(lái)真的要等死了。這個(gè)時(shí)候,ReentrantLock給了一種機(jī)制讓我們來(lái)響應(yīng)中斷,
// 讓“讀”能伸能屈,勇敢放棄對(duì)這個(gè)鎖的等待。我們來(lái)改寫B(tài)uffer這個(gè)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(jì)會(huì)一直阻塞
System.out.println("讀結(jié)束");
}
}
執(zhí)行結(jié)果如下:
我們等待了很久,后面依然沒有輸出,說(shuō)明讀線程對(duì)互斥鎖的等待并沒有被中斷,也就是該戶吃鎖沒有響應(yīng)對(duì)讀線程的中斷。 我們?cè)賹⑸厦娲a中synchronized的互斥鎖改為ReentrantLock的響應(yīng)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(gè)buff寫入數(shù)據(jù)…");
for (;;)// 模擬要處理很長(zhǎng)時(shí)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(yīng)中斷
try {
System.out.println("從這個(gè)buff讀數(shù)據(jù)");
} 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(jié)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(jié)果如下:
從結(jié)果中可以看出,嘗試中斷后輸出了catch語(yǔ)句塊中的內(nèi)容,也輸出了后面的“讀結(jié)束”,說(shuō)明線程對(duì)互斥鎖的等待被中斷了,也就是該互斥鎖響應(yīng)了對(duì)讀線程的中斷。
條件變量實(shí)現(xiàn)線程間協(xié)作
在生產(chǎn)者——消費(fèi)者模型一文中,我們用synchronized實(shí)現(xiàn)互斥,并配合使用Object對(duì)象的wait()和notify()或notifyAll()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間協(xié)作。Java 5之后,我們可以用Reentrantlock鎖配合Condition對(duì)象上的await()和signal()或signalAll()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間協(xié)作。在ReentrantLock對(duì)象上newCondition()可以得到一個(gè)Condition對(duì)象,可以通過(guò)在Condition上調(diào)用await()方法來(lái)掛起一個(gè)任務(wù)(線程),通過(guò)在Condition上調(diào)用signal()來(lái)通知任務(wù),從而喚醒一個(gè)任務(wù),或者調(diào)用signalAll()來(lái)喚醒所有在這個(gè)Condition上被其自身掛起的任務(wù)。另外,如果使用了公平鎖,signalAll()的與Condition關(guān)聯(lián)的所有任務(wù)將以FIFO隊(duì)列的形式獲取鎖,如果沒有使用公平鎖,則獲取鎖的任務(wù)是隨機(jī)的,這樣我們便可以更好地控制處在await狀態(tài)的任務(wù)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(duì)象綁定在一起的任務(wù)。
下面將生產(chǎn)者——消費(fèi)者模型一文中的代碼改為用條件變量實(shí)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(shè)置標(biāo)志位,初始時(shí)先生產(chǎn)
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition(); //產(chǎn)生一個(gè)Condition對(duì)象
public void set(String name,String content){
lock.lock();
try{
while(!flag){
condition.await() ;
}
this.setName(name) ; // 設(shè)置名稱
Thread.sleep(300) ;
this.setContent(content) ; // 設(shè)置內(nèi)容
flag = false ; // 改變標(biāo)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(biāo)志位,表示可以生產(chǎn)
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(guò)Runnable實(shí)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(biāo)記位
for(int i=0;i<10;i++){
if(flag){
this.info.set("姓名--1","內(nèi)容--1") ; // 設(shè)置名稱
flag = false ;
}else{
this.info.set("姓名--2","內(nèi)容--2") ; // 設(shè)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(shí)例化Info對(duì)象
Producer pro = new Producer(info) ; // 生產(chǎn)者
Consumer con = new Consumer(info) ; // 消費(fèi)者
new Thread(pro).start() ;
//啟動(dòng)了生產(chǎn)者線程后,再啟動(dòng)消費(fèi)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(jié)果:
姓名--1 --> 內(nèi)容--1
姓名--2 --> 內(nèi)容--2
姓名--1 --> 內(nèi)容--1
姓名--2 --> 內(nèi)容--2
姓名--1 --> 內(nèi)容--1
姓名--2 --> 內(nèi)容--2
姓名--1 --> 內(nèi)容--1
姓名--2 --> 內(nèi)容--2
姓名--1 --> 內(nèi)容--1
姓名--2 --> 內(nèi)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(duì)象的wait()、notify()、notifyAll()方法實(shí)現(xiàn)線程間協(xié)作有多少優(yōu)點(diǎn),但它在處理更復(fù)雜的多線程問(wèn)題時(shí),會(huì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。所以,Lock和Condition對(duì)象只有在更加困難的多線程問(wèn)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(shí)不會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的,因此對(duì)對(duì)讀讀操作也互斥的話,會(huì)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(lái)鎖定讀操作,用寫鎖來(lái)鎖定寫操作,這樣寫操作和寫操作之間會(huì)互斥,讀操作和寫操作之間會(huì)互斥,但讀操作和讀操作就不會(huì)互斥。
《Java并發(fā)編程實(shí)踐》一書給出了使用 ReentrantLock的最佳時(shí)機(jī):
當(dāng)你需要以下高級(jí)特性時(shí),才應(yīng)該使用:可定時(shí)的、可輪詢的與可中斷的鎖獲取操作,公平隊(duì)列,或者非塊結(jié)構(gòu)的鎖。否則,請(qǐng)使用synchronized。
到此這篇關(guān)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(guān)Java并發(fā)編程之Lock鎖和條件變量?jī)?nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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