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搞懂这几个锁用法,多线程就懂一半了

synchronized机制是给共享资源上锁,只有拿到锁的线程才可以访问共享资源,这样就可以强制使得对共享资源的访问都是顺序的。

作者:java乐园来源:今日头条|2020-02-21 20:21

 

0x01:synchronized

在Java中synchronized关键字被常用于维护数据一致性。

synchronized机制是给共享资源上锁,只有拿到锁的线程才可以访问共享资源,这样就可以强制使得对共享资源的访问都是顺序的。

Java开发人员都认识synchronized,使用它来实现多线程的同步操作是非常简单的,只要在需要同步的对方的方法、类或代码块中加入该关键字,它能够保证在同一个时刻最多只有一个线程执行同一个对象的同步代码,可保证修饰的代码在执行过程中不会被其他线程干扰。使用synchronized修饰的代码具有原子性和可见性,在需要进程同步的程序中使用的频率非常高,可以满足一般的进程同步要求。

synchronized(obj){//方法…….}

synchronized实现的机理依赖于软件层面上的JVM,因此其性能会随着Java版本的不断升级而提高。

到了Java1.6,synchronized进行了很多的优化,有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等,效率有了本质上的提高。在之后推出的Java1.7与1.8中,均对该关键字的实现机理做了优化。

需要说明的是,当线程通过synchronized等待锁时是不能被Thread.interrupt()中断的,因此程序设计时必须检查确保合理,否则可能会造成线程死锁的尴尬境地。

最后,尽管Java实现的锁机制有很多种,并且有些锁机制性能也比synchronized高,但还是强烈推荐在多线程应用程序中使用该关键字,因为实现方便,后续工作由JVM来完成,可靠性高。只有在确定锁机制是当前多线程程序的性能瓶颈时,才考虑使用其他机制,如ReentrantLock等。

0x02:ReentrantLock

可重入锁,顾名思义,这个锁可以被线程多次重复进入进行获取操作。

ReentantLock继承接口Lock并实现了接口中定义的方法,除了能完成synchronized所能完成的所有工作外,还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

Lock实现的机理依赖于特殊的CPU指定,可以认为不受JVM的约束,并可以通过其他语言平台来完成底层的实现。在并发量较小的多线程应用程序中,ReentrantLock与synchronized性能相差无几,但在高并发量的条件下,synchronized性能会迅速下降几十倍,而ReentrantLock的性能却能依然维持一个水准。

因此我们建议在高并发量情况下使用ReentrantLock。

ReentrantLock引入两个概念:公平锁与非公平锁。

公平锁指的是锁的分配机制是公平的,通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁。反之,JVM按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁。

ReentrantLock在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式,默认为非公平锁。这是因为,非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁,除非程序有特殊需要,否则最常用非公平锁的分配机制。

ReentrantLock通过方法lock()与unlock()来进行加锁与解锁操作,与synchronized会被JVM自动解锁机制不同,ReentrantLock加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况,使用ReentrantLock必须在finally控制块中进行解锁操作。通常使用方式如下所示:

Locklock=newReentrantLock();try{lock.lock();//…进行任务操作5}finally{lock.unlock();}

0x03:Semaphore

上述两种锁机制类型都是“互斥锁”,学过操作系统的都知道,互斥是进程同步关系的一种特殊情况,相当于只存在一个临界资源,因此同时最多只能给一个线程提供服务。但是,在实际复杂的多线程应用程序中,可能存在多个临界资源,这时候我们可以借助Semaphore信号量来完成多个临界资源的访问。

Semaphore基本能完成ReentrantLock的所有工作,使用方法也与之类似,通过acquire()与release()方法来获得和释放临界资源。

经实测,Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁,与ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致,也就是说在等待临界资源的过程中可以被Thread.interrupt()方法中断。

此外,Semaphore也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能,除了方法名tryAcquire与tryLock不同,其使用方法与ReentrantLock几乎一致。Semaphore也提供了公平与非公平锁的机制,也可在构造函数中进行设定。

Semaphore的锁释放操作也由手动进行,因此与ReentrantLock一样,为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生,释放锁的操作也必须在finally代码块中完成。

用于获取权限的acquire(),其底层实现与CountDownLatch.countdown()类似;用于释放权限的release(),其底层实现与acquire()是一个互逆的过程。

0x04:CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器闭锁,通过它可以完成类似于阻塞当前线程的功能,即:一个线程或多个线程一直等待,直到其他线程执行的操作完成。CountDownLatch用一个给定的计数器来初始化,该计数器的操作是原子操作,即同时只能有一个线程去操作该计数器。调用该类await方法的线程会一直处于阻塞状态,直到其他线程调用countDown方法使当前计数器的值变为零,每次调用countDown计数器的值减1。当计数器值减至零时,所有因调用await()方法而处于等待状态的线程就会继续往下执行。这种现象只会出现一次,因为计数器不能被重置,如果业务上需要一个可以重置计数次数的版本,可以考虑使用CycliBarrier。

在某些业务场景中,程序执行需要等待某个条件完成后才能继续执行后续的操作;典型的应用如并行计算,当某个处理的运算量很大时,可以将该运算任务拆分成多个子任务,等待所有的子任务都完成之后,父任务再拿到所有子任务的运算结果进行汇总。

0x05:CyclicBarrier

CyclicBarrier也是一个同步辅助类,它允许一组线程相互等待,直到到达某个公共屏障点(common barrier point)。通过它可以完成多个线程之间相互等待,只有当每个线程都准备就绪后,才能各自继续往下执行后面的操作。类似于CountDownLatch,它也是通过计数器来实现的。当某个线程调用await方法时,该线程进入等待状态,且计数器加1,当计数器的值达到设置的初始值时,所有因调用await进入等待状态的线程被唤醒,继续执行后续操作。因为CycliBarrier在释放等待线程后可以重用,所以称为循环barrier。CycliBarrier支持一个可选的Runnable,在计数器的值到达设定值后(但在释放所有线程之前),该Runnable运行一次,注,Runnable在每个屏障点只运行一个。

使用场景类似于CountDownLatch与CountDownLatch的区别

  • CountDownLatch主要是实现了1个或N个线程需要等待其他线程完成某项操作之后才能继续往下执行操作,描述的是1个线程或N个线程等待其他线程的关系。CyclicBarrier主要是实现了多个线程之间相互等待,直到所有的线程都满足了条件之后各自才能继续执行后续的操作,描述的多个线程内部相互等待的关系。
  • CountDownLatch是一次性的,而CyclicBarrier则可以被重置而重复使用。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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