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淺談Java中鎖的分類以及實現(xiàn)方法 附詳細代碼

猿友 2021-07-22 10:27:06 瀏覽數(shù) (2620)
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Lock和synchronized

  • 鎖是一種工具，用于控制對共享資源的訪問
  • Lock和synchronized，這兩個是最創(chuàng)建的鎖，他們都可以達到線程安全的目的，但是使用和功能上有較大不同
  • Lock不是完全替代synchronized的，而是當(dāng)使用synchronized不合適或不足以滿足要求的時候，提供高級功能 
  • Lock 最常見的是ReentrantLock實現(xiàn)

為啥需要Lock

  1. syn效率低：鎖的釋放情況少，試圖獲得鎖時不能設(shè)定超時，不能中斷一個正在試圖獲得鎖的線程
  2. 不夠靈活，加鎖和釋放的時機單一，每個鎖僅有一個單一的條件(某個對象),可能是不夠的
  3. 無法知道是否成功獲取到鎖

主要方法

Lock();     

最普通的獲取鎖，最佳實踐是finally中釋放鎖，保證發(fā)生異常的時候鎖一定被釋放

    /**
     * 描述：Lock不會像syn一樣，異常的時候自動釋放鎖
     *      所以最佳實踐是finally中釋放鎖，保證發(fā)生異常的時候鎖一定被釋放
     */
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
        lock.lock();
        try {
            //獲取本鎖保護的資源
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "開始執(zhí)行任務(wù)");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

tryLock(long time,TimeUnit unit)；超時就放棄

用來獲取鎖，如果當(dāng)前鎖沒有被其它線程占用，則獲取成功，則返回true，否則返回false，代表獲取鎖失敗

/**
     * 描述：用TryLock避免死鎖
     */
    static class TryLockDeadlock implements Runnable {
 
        int flag = 1;
 
        static Lock lock1 = new ReentrantLock();
        static Lock lock2 = new ReentrantLock();
 
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                if (flag == 1) {
                    try {
                        if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("線程1獲取到了鎖1");
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                                if (lock2.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                                    try {
                                        System.out.println("線程1獲取到了鎖2");
                                        System.out.println("線程1成功獲取到了2把鎖");
                                        break;
                                    }finally {
                                        lock2.unlock();
                                    }
                                }else{
                                    System.out.println("線程1獲取鎖2失敗，已重試");
                                }
                            } finally {
                                lock1.unlock();
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            }
                        } else {
                            System.out.println("線程1獲取鎖1失敗，已重試");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
 
                if (flag == 0) {
                    try {
                        if (lock2.tryLock(3000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("線程2獲取到了鎖2");
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                                if (lock1.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                                    try {
                                        System.out.println("線程2獲取到了鎖1");
                                        System.out.println("線程2成功獲取到了2把鎖");
                                        break;
                                    }finally {
                                        lock1.unlock();
                                    }
                                }else{
                                    System.out.println("線程2獲取鎖1失敗，已重試");
                                }
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            }
                        } else {
                            System.out.println("線程2獲取鎖2失敗，已經(jīng)重試");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
 
        public static void main(String[] args) {
            TryLockDeadlock r1 = new TryLockDeadlock();
            TryLockDeadlock r2 = new TryLockDeadlock();
            r1.flag = 1;
            r2.flag = 0;
            new Thread(r1).start();
            new Thread(r2).start();
        }
    }
 
執(zhí)行結(jié)果：
線程1獲取到了鎖1
線程2獲取到了鎖2
線程1獲取鎖2失敗，已重試
線程2獲取到了鎖1
線程2成功獲取到了2把鎖
線程1獲取到了鎖1
線程1獲取到了鎖2
線程1成功獲取到了2把鎖

lockInterruptibly(); 中斷

相當(dāng)于tryLock(long time,TimeUnit unit) 把超時時間設(shè)置為無限，在等待鎖的過程中，線程可以被中斷

/**
     * 描述：獲取鎖的過程中，中斷了
     */
    static class LockInterruptibly implements Runnable {
 
        private Lock lock = new ReentrantLock();
 
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "嘗試獲取鎖");
            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲取到了鎖");
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠中被中斷了");
                } finally {
                    lock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了鎖");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等鎖期間被中斷了");
            }
        }
 
        public static void main(String[] args) {
            LockInterruptibly lockInterruptibly = new LockInterruptibly();
            Thread thread0 = new Thread(lockInterruptibly);
            Thread thread1 = new Thread(lockInterruptibly);
            thread0.start();
            thread1.start();
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            thread0.interrupt();
        }
    }
 
執(zhí)行結(jié)果：
Thread-0嘗試獲取鎖
Thread-1嘗試獲取鎖
Thread-0獲取到了鎖
Thread-0睡眠中被中斷了
Thread-0釋放了鎖
Thread-1獲取到了鎖
Thread-1釋放了鎖

Java鎖分類：

2021413101150540

樂觀鎖和悲觀鎖：

樂觀鎖：

比較樂觀，認為自己在處理操作的時候，不會有其它線程來干擾，所以并不會鎖住操作對象

  • 在更新的時候，去對比我修改期間的數(shù)據(jù)有沒有被改變過，如沒有，就正常的修改數(shù)據(jù)
  • 如果數(shù)據(jù)和我一開始拿到的不一樣了，說明其他人在這段時間內(nèi)改過，會選擇放棄，報錯，重試等策略
  • 樂觀鎖的實現(xiàn)一般都是利用CAS算法來實現(xiàn)的

劣勢：

可能造成ABA問題，就是不知道是不是修改過

使用場景：

適合并發(fā)寫入少的情況，大部分是讀取的場景，不加鎖的能讓讀取的性能大幅提高

悲觀鎖：

比較悲觀，認為如果我不鎖住這個資源，別人就會來爭搶，就會造成數(shù)據(jù)結(jié)果錯誤，所以它會鎖住操作對象，Java中悲觀鎖的實現(xiàn)就是syn和Lock相關(guān)類

劣勢：

  • 阻塞和喚醒帶來的性能劣勢
  • 如果持有鎖的線程被永久阻塞，比如遇到了無限循環(huán)，死鎖等活躍性問題，那么等待該線程釋放鎖的那幾個線程，永遠也得不到執(zhí)行
  • 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，優(yōu)先級低的線程拿到鎖不釋放或釋放的比較慢，就會造成這個問題

使用場景：

適合并發(fā)寫入多的情況，適用于臨界區(qū)持鎖時間比較長的情況：

  1. 臨界區(qū)有IO操作
  2. 臨界區(qū)代碼復(fù)雜或者循環(huán)量大
  3. 臨界區(qū)競爭非常激烈

可重入鎖：

可重入就是說某個線程已經(jīng)獲得某個鎖，可以再次獲取鎖而不會出現(xiàn)死鎖

ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入鎖

// 遞歸調(diào)用演示可重入鎖
    static class RecursionDemo{
 
        public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 
        private static void accessResource(){
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("已經(jīng)對資源處理了");
                if (lock.getHoldCount() < 5){
                    System.out.println("已經(jīng)處理了"+lock.getHoldCount()+"次");
                    accessResource();
                }
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
 
        public static void main(String[] args) {
            new RecursionDemo().accessResource();
        }
    }
 
 
執(zhí)行結(jié)果：
已經(jīng)對資源處理了
已經(jīng)處理了1次
已經(jīng)對資源處理了
已經(jīng)處理了2次
已經(jīng)對資源處理了
已經(jīng)處理了3次
已經(jīng)對資源處理了
已經(jīng)處理了4次
已經(jīng)對資源處理了

ReentrantLock的其它方法

  • isHeldByCurrentThread 可以看出鎖是否被當(dāng)前線程持有
  • getQueueLength()可以返回當(dāng)前正在等待這把鎖的隊列有多長，一般這兩個方法是開發(fā)和調(diào)試時候使用，上線后用到的不多

公平鎖和非公平鎖

  • 公平指的是按照線程請求的順序，來分配鎖；
  • 非公平指的是，不完全按照請求的順序，在一定情況下，可以插隊
  • 非公平鎖可以避免喚醒帶來的空檔期
/**
 * 描述：演示公平鎖和非公平鎖
 */
class FairLock{
 
    public static void main(String[] args) {
        PrintQueue printQueue = new PrintQueue();
        Thread[] thread = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            thread[i] = new Thread(new Job(printQueue));
        }
 
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            thread[i].start();
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
}
 
class Job implements Runnable{
 
    PrintQueue printQueue;
 
    public Job(PrintQueue printQueue) {
        this.printQueue = printQueue;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"開始打印");
        printQueue.printJob(new Object());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印完成");
    }
}
 
class PrintQueue{    
    // true 公平，false是非公平
    private  Lock queueLock = new ReentrantLock(true);
    public void printJob(Object document){
        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10)+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }
 
        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10)+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }
 
    }
}
 
執(zhí)行結(jié)果：
Thread-0開始打印
Thread-0正在打印，需要10秒
Thread-1開始打印
Thread-2開始打印
Thread-3開始打印
Thread-4開始打印
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-2正在打印，需要2秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-4正在打印，需要4秒
Thread-0正在打印，需要2秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要7秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要8秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要3秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成
 
true改為false演示非公平鎖：
Lock queueLock = new ReentrantLock(false);
執(zhí)行結(jié)果：
Thread-0正在打印，需要7秒
Thread-1開始打印
Thread-2開始打印
Thread-3開始打印
Thread-4開始打印
Thread-0正在打印，需要9秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要3秒
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要4秒
Thread-2正在打印，需要7秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要10秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要7秒
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成

共享鎖和排它鎖：

  • 排它鎖，又稱為獨占鎖，獨享鎖
  • 共享鎖，又稱為讀鎖，獲得共享鎖之后，可以查看但無法修改和刪除數(shù)據(jù)，其他線程此時也可以獲取到共享鎖，也可以查看但無法修改和刪除數(shù)據(jù)
  • 共享鎖和排它鎖的典型是讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock,其中讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨享鎖

讀寫鎖的作用：

  • 在沒有讀寫鎖之前，我們假設(shè)使用ReentrantLock，那么雖然我們保證了線程安全，但是也浪費了一定的資源：


    /**
 * 描述：演示可以多個一起讀，只能一個寫
 */
class CinemaReadWrite{
    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();
 
    private static void read(){
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了讀鎖，正在讀取");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了讀鎖");
            readLock.unlock();
        }
    }
 
    private static void write(){
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了寫鎖，正在寫入");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了寫鎖");
            writeLock.unlock();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()-> read(),"Thrad1").start();
        new Thread(()-> read(),"Thrad2").start();
        new Thread(()-> write(),"Thrad3").start();
        new Thread(()-> write(),"Thrad4").start();
    }
}
 
執(zhí)行結(jié)果：
Thrad1得到了讀鎖，正在讀取
Thrad2得到了讀鎖，正在讀取
Thrad2釋放了讀鎖
Thrad1釋放了讀鎖
Thrad3得到了寫鎖，正在寫入
Thrad3釋放了寫鎖
Thrad4得到了寫鎖，正在寫入 
    Thrad4釋放了寫鎖多個讀操作同時進行，并沒有線程安全問題
  • 在讀的地方使用讀鎖，在寫的地方使用寫鎖，靈活控制，如果沒有寫鎖的情況下，讀是無阻塞的，提高了程序的執(zhí)行效率

讀寫鎖的規(guī)則：

  1. 多個線程值申請讀鎖，都可以申請到
  2. 要么一個或多個一起讀，要么一個寫，兩者不會同時申請到，只能存在一個寫鎖


讀鎖和寫鎖的交互方式：

讀鎖插隊策略：

  • 公平鎖：不允許插隊
  • 非公平鎖：寫鎖可以隨時插隊，讀鎖僅在等待隊列頭節(jié)點不是想獲取寫鎖線程的時候可以插隊

自旋鎖和阻塞鎖

  • 讓當(dāng)前線程進行自旋，如果自旋完成后前面鎖定同步資源的線程已經(jīng)釋放了鎖，那么當(dāng)前線程就可以不必阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖。
  • 阻塞鎖和自旋鎖相反，阻塞鎖如果遇到?jīng)]拿到鎖的情況，會直接把線程阻塞，知道被喚醒

自旋缺點：

  • 如果鎖被占用的時間很長，那么自旋的線程只會白浪費處理器資源
  • 在自旋的過程中，一直消耗cpu，所以雖然自旋鎖的起始開銷低于悲觀鎖，但是隨著自旋的時間增長，開銷也是線性增長的

原理：

  • 在Java1.5版本及以上的并發(fā)框架java.util.concurrent 的atmoic包下的類基本都是自旋鎖的實現(xiàn)
  • AtomicInteger的實現(xiàn)：自旋鎖的實現(xiàn)原理是CAS,AtomicInteger中調(diào)用unsafe 進行自增操作的源碼中的do-while循環(huán)就是一個自旋操作，如果修改過程中遇到其他線程競爭導(dǎo)致沒修改成功，就在while里死循環(huán)直至修改成功
/**
 * 描述：自旋鎖演示
 */
class SpinLock{
    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
 
    public void lock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        while (!sign.compareAndSet(null,currentThread)){
            System.out.println("自旋獲取失敗，再次嘗試");
        }
    }
 
    public void unLock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(currentThread,null);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"開始嘗試自旋鎖");
                spinLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"獲取到了自旋鎖");
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    spinLock.unLock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"釋放了自旋鎖");
                }
            }
        };
 
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
 
 
執(zhí)行結(jié)果：
Thread-0開始嘗試自旋鎖
Thread-0獲取到了自旋鎖
Thread-1開始嘗試自旋鎖
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
自旋獲取失敗，再次嘗試
Thread-0釋放了自旋鎖
Thread-1獲取到了自旋鎖
Thread-1釋放了自旋鎖

使用場景：

  • 自旋鎖一般用于多核服務(wù)器，在并發(fā)度不是特別高的情況下，比阻塞鎖的效率要高
  • 另外，自旋鎖適用于臨界區(qū)比較短小的情況，否則如果臨界區(qū)很大(線程一旦拿到鎖，很久之后才會釋放)，那也是不合適的

總結(jié)

以上就是關(guān)于 Java 中鎖的分類以及具體使用的全部內(nèi)容,想要了解更多相關(guān) Java 中鎖的其他使用內(nèi)容請搜索W3Cschool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我們！

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