Java并发编程:Concurrent锁机制解析

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Java并发编程:Concurrent锁机制解析

前面,我们讲了Java自带的对象锁机制。因为我们的方法必然是在一个对象中的,所以,通过对象的锁,可以很好的控制对方法的调用。当对象的锁被一个线程持有后,其他线程想要调用该对象的该方法,就必须进入等待池,等待当前线程执行完毕后,由系统来决定选中谁接下来继续执行。这种方法非常的直观,原理也非常的清晰。
那么,Doug Lea为什么会额外再开发一个并行包呢?
首先,我们从他的Lock锁来看一下,这么做带来的好处。
我觉得最主要的好处是:

  • Lock可以查询到更多的信息,包括当前持有的线程,排队等待的线程数量等,这一点很关键,极大的提高了适用范围,这是后面很多的并发类的基础;
  • 读写锁的分离,相当于在原有的独占锁的基础上,增加了共享锁。对于不需要同步的方法,使用共享锁,所有线程可以同时调用,仅对外部方法进行同步,这一点可以极大的提高性能。

1 本质

这些锁的本质是一个AbstractQueuedSynchronizer,是一个CLH队列。当锁对象没有被线程持有时(state状态值为0),线程可以获取锁,并将state加1,这时,再有新的线程来获取锁时,就需要放到CLH队列中了,等当前运行的线程将所有的锁释放掉之后,state重新变为0.这时队列中的node可以去获取锁。

2 Lock

Concurrent包中的Lock只是一个接口类,本身并没有实现。它定义了三个主要的方法,lock(),unlock(),newCondition()。lock()用于线程获取锁,执行到该方法时,如果锁没有被线程占有,则把锁分配给线程,如果已经分配,则等待;unlock()用于解除线程锁定;newCondition()用于创建条件。线程获取锁还有三种其他的方式,如是获取之后是否可以被中断,以试探的方式去获取锁等。

public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}

3 ReentrantLock

ReentrantLock是对Lock接口类的一种实现,本质是一种独占锁。使用一个state来保存一个线程调用lock()的次数。当state为0时,锁可以被线程持有,持有之后将state改为1,这样其他线程就不能再次获得该锁了,只有该线程可以再次持有,这就是重入,也就是这个锁的名字的由来。当该线程调用unlock()时,state值减1,直到state再次等于0,表示该线程完全释放了锁。
这个状态量是用一个int来保存的,并且当值超过int表示的最大正整数,就会溢出变为负数,小于0就会报错。所以,同一个锁最多能重入Integer.MAX_VALUE次,也就是2147483647。

int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");

至于底层的实现方式,如果看过源代码的话,就会发现基本上是基于CAS实现的,就是compare and swap。就是有一个期望值,当比较当前值与期望值是否相等,当相等时,将值进行更新。所以,当多个线程同时去改变一个值的时候,肯定只有一个线程是可以成功的。因为,这些线程的期望值肯定都是一样的,当其中一个线程修改值之后,其他线程的期望值就对比不成功了。所以,每次最多一个线程能够执行成功。

4 ReadWriteLock

ReadWriteLock同样是一个接口类,有两个方法,分别返回一个读锁和一个写锁,但它们共用一个AQS队列。

Lock readLock();
Lock writeLock();

5 ReentrantReadWriteLock

读写锁的分离意义太重大了,因为很多时候,我们大部分的操作都是在读数据,只有少数情况是需要写数据,如果直接使用同步或者是重入锁,那么性能和效率会非常低。
读锁和写锁有本质的区别,读锁是共享锁,写锁是独占锁。

  • 读操作其实是不需要同步的,只有当写操作在进行中时才需要同步等待,所以当没有写操作时,是空锁,所有线程可以同时调用。
  • 写操作是必须同步的,所以,一次只有一个线程可以占有写锁。
  • 锁升级是不允许的,就是当有读锁在读数据时,写锁是不能被持有的,必须等待所有的读操作完成,再获得写锁。
  • 写锁可以降级为读锁,就是写线程可以同时获得读锁,当写锁释放之后,继续持有读锁,然后,再释放读锁。

实际上,读锁和写锁是共用一个AQS队列,状态量state也是共用一个。低16位表示写锁,高16位表示读锁。所以,写锁和读锁的可重入数最多锁65535个。
不同的是,获取锁的方式不同:

// 读锁获取锁的方式,是获取共享锁
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
// 写锁获取锁的方式,是获取独占锁
public void lock() {
sync.acquire(1);
}

Date: 2017-07-08 10:22

Author: WEN YANG

Created: 2017-07-12 Wed 21:15

Emacs 25.2.1 (Org mode 8.2.10)

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