快捷導(dǎo)航

Java中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock詳解

更新時間：2024年01月10日 10:50:34 作者：苦糖果與忍冬

這篇文章主要介紹了Java中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock詳解,讀寫鎖:一個資源能夠被多個讀線程訪問,或者被一個寫線程訪問但是不能同時存在讀寫線程,需要的朋友可以參考下

1. ReentrantReadWriteLock

本章路線總綱無鎖→獨占鎖→讀寫鎖→郵戳鎖

關(guān)于鎖的大廠面試題你知道Java里面有哪些鎖? 你說你用過讀寫鎖，鎖饑餓問題是什么?有沒有比讀寫鎖更快的鎖? StampedLock知道嗎?(郵戳鎖/票據(jù)鎖) ReentrantReadWriteLock有鎖降級機制，你知道嗎?

1.1 讀寫鎖ReentrantReadWriteLock

讀寫鎖:一個資源能夠被多個讀線程訪問，或者被一個寫線程訪問但是不能同時存在讀寫線程。

它只允許讀讀共存，而讀寫和寫寫依然是互斥的，大多實際場景是“讀/讀”線程間并不存在互斥關(guān)系，只有"讀/寫"線程或"寫/寫"線程間的操作需要互斥的。因此引入ReentrantReadWriteLock 一個ReentrantReadWriteLock同時只能存在一個寫鎖但是可以存在多個讀鎖，但不能同時存在寫鎖和讀鎖(切菜還是拍蒜選一個)。也即一個資源可以被多個讀操作訪問―或一個寫操作訪問，但兩者不能同時進(jìn)行。只有在讀多寫少情景下，讀寫鎖才具有較高的性能體現(xiàn)。

在這里插入圖片描述

1.2 鎖降級

在這里插入圖片描述

寫鎖的降級，降級成為了讀鎖

1）如果同一個線程持有了寫鎖，在沒有釋放寫鎖的情況下，它還可以繼續(xù)獲得讀鎖。這就是寫鎖的降級，降級成為了讀鎖。

2）規(guī)則慣例，先獲取寫鎖，然后獲取讀鎖，再釋放寫鎖的次序。

3）如果釋放了寫鎖，那么就完全轉(zhuǎn)換為讀鎖。

在這里插入圖片描述

鎖降級是為了讓當(dāng)前線程感知到數(shù)據(jù)的變化，目的是保證數(shù)據(jù)可見性

如果有線程在讀，那么寫線程是無法獲取寫鎖的，是悲觀鎖的策略

在ReentrantReadWriteLock中，當(dāng)讀鎖被使用時，如果有線程嘗試獲取寫鎖，該寫線程會被阻塞。所以，需要釋放所有讀鎖，才可獲取寫鎖。

寫鎖和讀鎖是互斥的(這里的互斥是指線程間的互斥，當(dāng)前線程可以獲取到寫鎖又獲取到讀鎖，但是獲取到了讀鎖不能繼續(xù)獲取寫鎖)，這是因為讀寫鎖要保持寫操作的可見性。因為，如果允許讀鎖在被獲取的情況下對寫鎖的獲取，那么正在運行的其他讀線程無法感知到當(dāng)前寫線程的操作。

ReentrantReadWriteLock讀的過程中不允許寫，只有等待線程都釋放了讀鎖，當(dāng)前線程才能獲取寫鎖，也就是寫入必須等待，這是一種悲觀的讀鎖，人家還在讀著那，你先別去寫，省的數(shù)據(jù)亂。

分析StampedLock(后面詳細(xì)講解)，會發(fā)現(xiàn)它改進(jìn)之處在于: 讀的過程中也允許獲取寫鎖介入(相當(dāng)牛B，讀和寫兩個操作也讓你“共享”(注意引號))，這樣會導(dǎo)致我們讀的數(shù)據(jù)就可能不一致所以，需要額外的方法來判斷讀的過程中是否有寫入，這是一種樂觀的讀鎖。顯然樂觀鎖的并發(fā)效率更高，但一旦有小概率的寫入導(dǎo)致讀取的數(shù)據(jù)不一致，需要能檢測出來，再讀一遍就行。

1.3 為什么要鎖降級?

在這里插入圖片描述

鎖降級確實不太貼切，明明是鎖切換，在寫鎖釋放前由寫鎖切換成了讀鎖。問題的關(guān)鍵其實是為什么要在鎖切換前就加上讀鎖呢？防止釋放寫鎖的瞬間被其他線程拿到寫鎖然后修改了數(shù)據(jù)，然后本線程在拿到讀鎖后讀取數(shù)據(jù)就發(fā)生了錯亂。但是，我把鎖的范圍加大一點不就行了嗎？在寫鎖的范圍里面完成讀鎖里面要干的事。缺點呢就是延長了寫鎖的占用時長，導(dǎo)致性能下降。對于中小公司而言沒必要，隨便在哪都能把這點性能撿回來了！

在這里插入圖片描述

1.4 鎖饑餓問題

ReentrantReadWriteLock實現(xiàn)了讀寫分離，但是一旦讀操作比較多的時候，想要獲取寫鎖就變得比較困難了，假如當(dāng)前1000個線程，999個讀,1個寫，有可能999個讀取線程長時間搶到了鎖，那1個寫線程就悲劇了因為當(dāng)前有可能會一直存在讀鎖，而無法獲得寫鎖，根本沒機會寫。

如何緩解鎖饑餓問題? 使用"公平"策略可以一定程度上緩解這個問題，但是"公平"策略是以犧牲系統(tǒng)吞吐量為代價的

StampedLock類的樂觀讀鎖閃亮登場

2. 郵戳鎖StampedLock

2.1 StampedLock橫空出世

StampedLock（也叫票據(jù)鎖）是JDK1.8中新增的一個讀寫鎖，也是對JDK1.5中的讀寫鎖ReentrantReadWriteLock的優(yōu)化。

stamp（戳記，long類型) 代表了鎖的狀態(tài)。當(dāng)stamp返回零時，表示線程獲取鎖失敗。并且，當(dāng)釋放鎖或者轉(zhuǎn)換鎖的時候，需要傳入最初獲取的stamp值。

ReentrantReadWriteLock的讀鎖被占用的時候，其他線程嘗試獲取寫鎖的時候會被阻塞。但是，StampedLock采取樂觀獲取鎖后，其他線程嘗試獲取寫鎖時不會被阻塞，這其實是對讀鎖的優(yōu)化，所以，在獲取樂觀讀鎖后，還需要對結(jié)果進(jìn)行校驗。

ReentrantReadWriteLock 允許多個線程向時讀，但是只允許一個線程寫，在線程獲取到寫鎖的時候，其他寫操作和讀操作都會處于阻塞狀態(tài)，讀鎖和寫鎖也是互斥的，所以在讀的時候是不允許寫的，讀寫鎖比傳統(tǒng)的synchronized速度要快很多，原因就是在于ReentrantReadWriteLock支持讀并發(fā)，讀讀可以共享。

對短的只讀代碼段，使用樂觀模式通?？梢詼p少爭用并提高吞吐量

2.2 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock性能比較

public class ReentrantReadWriteLockTest {
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    static int read = 1000;
    static int write = 3;
    static long mills = 10;
    public static void main(String[] args) {
        testReentrantLock();
        testReentrantReadWriteLock();
//        System.out.println("=========================");
        testStampedLock();
    }
    public static void testStampedLock() {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        ExecutorService executorServiceWrite = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(read + write);
        long l = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < read; i++) {
            executorService.execute(() -> {
//                tryOptimisticRead();
                readStampedLock();
                latch.countDown();
            });
        }
        for (int i = 0; i < write; i++) {
            executorServiceWrite.execute(() -> {
                writeStampedLock();
                latch.countDown();
//                System.out.println("時間間隔："+(System.currentTimeMillis()-l));
            });
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executorService.shutdown();
        executorServiceWrite.shutdown();
        System.out.println("testStampedLock執(zhí)行耗時：" + (System.currentTimeMillis() - l));
    }
    public static void testReentrantLock() {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        ExecutorService executorServiceWrite = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(read + write);
        long l = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < read; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                read();
                latch.countDown();
            });
        }
        for (int i = 0; i < write; i++) {
            executorServiceWrite.execute(() -> {
                write();
                latch.countDown();
            });
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executorService.shutdown();
        executorServiceWrite.shutdown();
        System.out.println("testReentrantLock執(zhí)行耗時：" + (System.currentTimeMillis() - l));
    }
    public static void testReentrantReadWriteLock() {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        ExecutorService executorServiceWrite = Executors.newFixedThreadPool(3);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(read + write);
        long l = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < read; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                readLock();
                latch.countDown();
            });
        }
        for (int i = 0; i < write; i++) {
            executorServiceWrite.execute(() -> {
                writeLock();
                latch.countDown();
//                System.out.println("時間間隔："+(System.currentTimeMillis()-l));
            });
        }
        try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executorService.shutdown();
        executorServiceWrite.shutdown();
        System.out.println("testReentrantReadWriteLock執(zhí)行耗時：" + (System.currentTimeMillis() - l));
    }
    public static void tryOptimisticRead() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        try {
            Thread.sleep(mills);
            if (!stampedLock.validate(stamp)) {
                long readLock = stampedLock.readLock();
                try {
                } finally {
                    stampedLock.unlock(readLock);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void readStampedLock() {
        long stamp = stampedLock.readLock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            stampedLock.unlock(stamp);
        }
    }
    public static void writeStampedLock() {
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            stampedLock.unlock(stamp);
        }
    }
    public static void readLock() {
        readWriteLock.readLock().lock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            readWriteLock.readLock().unlock();
        }
    }
    public static void writeLock() {
        readWriteLock.writeLock().lock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            readWriteLock.writeLock().unlock();
        }
    }
    public static void read() {
        lock.lock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void write() {
        lock.lock();
        try {
            Thread.sleep(mills);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

執(zhí)行結(jié)果

testReentrantLock執(zhí)行耗時：15868
testReentrantReadWriteLock執(zhí)行耗時：218
testStampedLock執(zhí)行耗時：221

根據(jù)執(zhí)行結(jié)果可以明顯看出在讀多寫少的情況下，ReentrantLock的性能是比較差的，而ReentrantReadWriteLock和StampedLock性能差不多相同，而StampedLock主要是為了解決ReentrantReadWriteLock可能出現(xiàn)的鎖饑餓問題。

2.3 StampedLock總結(jié)

StampedLock的特點所有獲取鎖的方法，都返回一個郵戳( Stamp) , Stamp為零表示獲取失敗，其余都表示成功; 所有釋放鎖的方法，都需要一個郵戳(Stamp)，這個Stamp必須是和成功獲取鎖時得到的Stamp一致; StampedLock是不可重入的，危險(如果一個線程已經(jīng)持有了寫鎖，再去獲取寫鎖的話就會造成死鎖)

StampedLock有三種訪問模式 Reading (讀模式悲觀）:功能和ReentrantReadWriteLock的讀鎖類似 Writing(寫模式）:功能和ReentrantRedWriteLock的寫鎖類似 Optimistic reading(樂觀讀模式):無鎖機制，類似于數(shù)據(jù)庫中的樂觀鎖，支持讀寫并發(fā)，很樂觀認(rèn)對為讀取時沒人修改，假如被修改再實現(xiàn)升級為悲觀讀模式

主要API tryOptimisticRead():加樂觀讀鎖 validate(long stamp)：校驗樂觀讀鎖執(zhí)行過程中有無寫鎖攪局

StampedLock的缺點 StampedLock 不支持重入，沒有Re開頭 StampedLock的悲觀讀鎖和寫鎖都不支持條件變量(Condition)，這個也需要注意。使用StampedLock一定不要調(diào)用中斷操作，即不要調(diào)用interrupt()方法

有關(guān)鎖的知識都學(xué)習(xí)完了，其實挺雞肋的，工作直接用分布式鎖，幾乎不會用到JVM層級的鎖，但是面試要問，不得不學(xué)！

到此這篇關(guān)于Java中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock內(nèi)容請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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