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Java 各種鎖的小結

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原始碼精品專欄

 

來源:http://t.cn/EcCtmwg

  • 一. synchronized
  • 二. 物件鎖、類鎖、私有鎖
  • 三. ReentrantLock
  • 四. ReentrantReadWriteLock
  • 五. CAS
  • 六. Condition
  • 七. Semaphore
  • 八. CountDownLatch
  • 九. 鎖的分類
  • 十. 總結

一. synchronized

在 JDK 1.6 之前,synchronized 是重量級鎖,效率低下。

從 JDK 1.6 開始,synchronized 做了很多優化,如偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術來減少鎖操作的開銷。

synchronized 同步鎖一共包含四種狀態:無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖,它會隨著競爭情況逐漸升級。synchronized 同步鎖可以升級但是不可以降級,目的是為了提高獲取鎖和釋放鎖的效率。

synchronized 的底層原理

synchronized 修飾的代碼塊

通過反編譯.class檔案,通過查看位元組碼可以得到:在代碼塊中使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置,monitorexit 指令指明同步代碼塊的結束位置。

synchronized 修飾的方法

同樣查看位元組碼可以得到:在同步方法中會包含 ACC_SYNCHRONIZED 標記符。該標記符指明瞭該方法是一個同步方法,從而執行相應的同步呼叫。

二. 物件鎖、類鎖、私有鎖

物件鎖:使用 synchronized 修飾非靜態的方法以及 synchronized(this) 同步代碼塊使用的鎖是物件鎖。

類鎖:使用 synchronized 修飾靜態的方法以及 synchronized(class) 同步代碼塊使用的鎖是類鎖。

私有鎖:在類內部宣告一個私有屬性如private Object lock,在需要加鎖的同步塊使用 synchronized(lock)

它們的特性:

  • 物件鎖具有可重入性。
  • 當一個執行緒獲得了某個物件的物件鎖,則該執行緒仍然可以呼叫其他任何需要該物件鎖的 synchronized 方法或 synchronized(this) 同步代碼塊。
  • 當一個執行緒訪問某個物件的一個 synchronized(this) 同步代碼塊時,其他執行緒對該物件中所有其它 synchronized(this) 同步代碼塊的訪問將被阻塞,因為訪問的是同一個物件鎖。
  • 每個類只有一個類鎖,但是類可以實體化成物件,因此每一個物件對應一個物件鎖。
  • 類鎖和物件鎖不會產生競爭。
  • 私有鎖和物件鎖也不會產生競爭。
  • 使用私有鎖可以減小鎖的細粒度,減少由鎖產生的開銷。

由私有鎖實現的等待/通知機制:

Object lock = new Object();

// 由等待方執行緒實現
synchronized (lock) {
    while (條件不滿足) {
       lock.wait();
   }
}

// 由通知方執行緒實現
synchronized (lock) {
   條件發生改變
   lock.notify();
}

三. ReentrantLock

ReentrantLock 是一個獨占/排他鎖。相對於 synchronized,它更加靈活。但是需要自己寫出加鎖和解鎖的過程。它的靈活性在於它擁有很多特性。

ReentrantLock 需要顯示地進行釋放鎖。特別是在程式異常時,synchronized 會自動釋放鎖,而 ReentrantLock 並不會自動釋放鎖,所以必須在 finally 中進行釋放鎖。

它的特性:

  • 公平性:支持公平鎖和非公平鎖。預設使用了非公平鎖。
  • 可重入
  • 可中斷:相對於 synchronized,它是可中斷的鎖,能夠對中斷作出響應。
  • 超時機制:超時後不能獲得鎖,因此不會造成死鎖。

ReentrantLock 是很多類的基礎,例如 ConcurrentHashMap 內部使用的 Segment 就是繼承 ReentrantLock,CopyOnWriteArrayList 也使用了 ReentrantLock。

四. ReentrantReadWriteLock

我之前寫過一篇文章《ReentrantReadWriteLock讀寫鎖及其在 RxCache 中的使用》 曾詳細介紹過ReentrantReadWriteLock。

它擁有讀鎖(ReadLock)和寫鎖(WriteLock),讀鎖是一個共享鎖,寫鎖是一個排他鎖。

它的特性:

  • 公平性:支持公平鎖和非公平鎖。預設使用了非公平鎖。
  • 可重入:讀執行緒在獲取讀鎖之後能夠再次獲取讀鎖。寫執行緒在獲取寫鎖之後能夠再次獲取寫鎖,同時也可以獲取讀鎖(鎖降級)。
  • 鎖降級:先獲取寫鎖,再獲取讀鎖,然後再釋放寫鎖的過程。鎖降級是為了保證資料的可見性。

五. CAS

上面提到的 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基於 AbstractQueuedSynchronizer (AQS),而 AQS 又是基於 CAS。CAS 的全稱是 Compare And Swap(比較與交換),它是一種無鎖演算法。

synchronized、Lock 都採用了悲觀鎖的機制,而 CAS 是一種樂觀鎖的實現。

CAS 的特性:

  • 通過呼叫 JNI 的代碼實現
  • 非阻塞演算法
  • 非獨占鎖

CAS 存在的問題:

  • ABA
  • 迴圈時間長開銷大
  • 只能保證一個共享變數的原子操作

六. Condition

Condition 用於替代傳統的 Object 的 wait()、notify() 實現執行緒間的協作。

在 Condition 物件中,與 wait、notify、notifyAll 方法對應的分別是 await、signal 和 signalAll。

Condition 必須要配合 Lock 一起使用,一個 Condition 的實體必須與一個 Lock 系結。

它的特性:

  • 一個 Lock 物件可以創建多個 Condition 實體,所以可以支持多個等待佇列。
  • Condition 在使用 await、signal 或 signalAll 方法時,必須先獲得 Lock 的 lock()
  • 支持響應中斷
  • 支持的定時喚醒功能

七. Semaphore

Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 都是併發工具類。

Semaphore 可以指定多個執行緒同時訪問某個資源,而 synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允許一個執行緒訪問某個資源。由於 Semaphore 適用於限制訪問某些資源的執行緒數目,因此可以使用它來做限流。

Semaphore 並不會實現資料的同步,資料的同步還是需要使用 synchronized、Lock 等實現。

它的特性:

  • 基於 AQS 的共享樣式
  • 公平性:支持公平樣式和非公平樣式。預設使用了非公平樣式。

八. CountDownLatch

CountDownLatch 可以看成是一個倒計數器,它允許一個或多個執行緒等待其他執行緒完成操作。因此,CountDownLatch 是共享鎖。

CountDownLatch 的 countDown() 方法將計數器減1,await() 方法會阻塞當前執行緒直到計數器變為0。

在我的爬蟲框架NetDiscovery中就使用了 CountDownLatch 來控制某個爬蟲的暫停和恢復。

九. 鎖的分類

Java 鎖的小結

十. 總結

本文小結了 Java 常用的一些鎖及其一些特性,掌握這些鎖是掌握 Java 併發編程的基礎。當然,Java 的鎖並不止這些,例如 ConcurrentHashMap 的分段鎖(Segment),分佈式環境下所使用的分佈式鎖。

參考資料:

  1. 《Java併發編程藝術》
  2. 《Java併發編程實戰》
  3. 不可不說的Java“鎖”事



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