摘要:本文主要向大家介绍了【JAVA语言并发编程】之二十:并发新特性—Lock锁和条件变量(含代码),通过具体的内容向大家展示,希望对大家学习JAVA语言有所帮助。
本文主要向大家介绍了【JAVA语言并发编程】之二十:并发新特性—Lock锁和条件变量(含代码),通过具体的内容向大家展示,希望对大家学习JAVA语言有所帮助。
简单使用Lock锁
Java 5中引入了新的锁机制——java.util.concurrent.locks中的显式的互斥锁:Lock接口,它提供了比synchronized更加广泛的锁定操作。Lock接口有3个实现它的类:ReentrantLock、ReetrantReadWriteLock.ReadLock和ReetrantReadWriteLock.WriteLock,即重入锁、读锁和写锁。lock必须被显式地创建、锁定和释放,为了可以使用更多的功能,一般用ReentrantLock为其实例化。为了保证锁最终一定会被释放(可能会有异常发生),要把互斥区放在try语句块内,并在finally语句块中释放锁,尤其当有return语句时,return语句必须放在try字句中,以确保unlock()不会过早发生,从而将数据暴露给第二个任务。因此,采用lock加锁和释放锁的一般形式如下:
[java] view plain copy
1. Lock lock = new ReentrantLock();//默认使用非公平锁,如果要使用公平锁,需要传入参数true
2. ........
3. lock.lock();
4. try {
5. //更新对象的状态
6. //捕获异常,必要时恢复到原来的不变约束
7. //如果有return语句,放在这里
8. finally {
9. lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放
ReetrankLock与synchronized比较
性能比较
在JDK1.5中,synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作,它对性能最大的影响是阻塞的是实现,挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的Lock对象,性能更高一些。Brian Goetz对这两种锁在JDK1.5、单核处理器及双Xeon处理器环境下做了一组吞吐量对比的实验,发现多线程环境下,synchronized的吞吐量下降的非常严重,而ReentrankLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。但与其说ReetrantLock性能好,倒不如说synchronized还有非常大的优化余地,于是到了JDK1.6,发生了变化,对synchronize加入了很多优化措施,有自适应自旋,锁消除,锁粗化,轻量级锁,偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示,他们也更支持synchronize,在未来的版本中还有优化余地,所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下,优先考虑使用synchronized来进行同步。
下面浅析以下两种锁机制的底层的实现策略。
互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因而这种同步又称为阻塞同步,它属于一种悲观的并发策略,即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换,当有很多线程竞争锁的时候,会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。synchronized采用的便是这种并发策略。
随着指令集的发展,我们有了另一种选择:基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地讲就是先进性操作,如果没有其他线程争用共享数据,那操作就成功了,如果共享数据被争用,产生了冲突,那就再进行其他的补偿措施(最常见的补偿措施就是不断地重拾,直到试成功为止),这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起,因此这种同步被称为非阻塞同步。ReetrantLock采用的便是这种并发策略。
在乐观的并发策略中,需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性,它靠硬件指令来保证,这里用的是CAS操作(Compare and Swap)。JDK1.5之后,Java程序才可以使用CAS操作。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码,会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState,这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。现代的CPU提供了指令,可以自动更新共享数据,而且能够检测到其他线程的干扰,而compareAndSet() 就用这些代替了锁定。这个算法称作非阻塞算法,意思是一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。
Java 5中引入了注入AutomicInteger、AutomicLong、AutomicReference等特殊的原子性变量类,它们提供的如:compareAndSet()、incrementAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了CAS操作。因此,它们都是由硬件指令来保证的原子方法。
用途比较
基本语法上,ReentrantLock与synchronized很相似,它们都具备一样的线程重入特性,只是代码写法上有点区别而已,一个表现为API层面的互斥锁(Lock),一个表现为原生语法层面的互斥锁(synchronized)。ReentrantLock相对synchronized而言还是增加了一些高级功能,主要有以下三项:
1、等待可中断:当持有锁的线程长期不释放锁时,正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情,它对处理执行时间非常上的同步块很有帮助。而在等待由synchronized产生的互斥锁时,会一直阻塞,是不能被中断的。
2、可实现公平锁:多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序排队等待,而非公平锁则不保证这点,在锁释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁时非公平锁,ReentrantLock默认情况下也是非公平锁,但可以通过构造方法ReentrantLock(ture)来要求使用公平锁。
3、锁可以绑定多个条件:ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象(名曰:条件变量或条件队列),而在synchronized中,锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含条件,但如果要和多于一个的条件关联的时候,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则无需这么做,只需要多次调用newCondition()方法即可。而且我们还可以通过绑定Condition对象来判断当前线程通知的是哪些线程(即与Condition对象绑定在一起的其他线程)。
可中断锁
ReetrantLock有两种锁:忽略中断锁和响应中断锁。忽略中断锁与synchronized实现的互斥锁一样,不能响应中断,而响应中断锁可以响应中断。
如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,如果此时ReetrantLock提供的是忽略中断锁,则它不会去理会该中断,而是让线程B继续等待,而如果此时ReetrantLock提供的是响应中断锁,那么它便会处理中断,让线程B放弃等待,转而去处理其他事情。
获得响应中断锁的一般形式如下:
[java] view plain copy
1. ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
2. ...........
3. lock.lockInterruptibly();//获取响应中断锁
4. try {
5. //更新对象的状态
6. //捕获异常,必要时恢复到原来的不变约束
7. //如果有return语句,放在这里
8. }finally{
9. lock.unlock(); //锁必须在finally块中释放
10. }
这里有一个不错的分析中断的示例代码(摘自网上)
当用synchronized中断对互斥锁的等待时,并不起作用,该线程依然会一直等待,如下面的实例:
[java] view plain copy
1. public class Buffer {
2.
3. private Object lock;
4.
5. public Buffer() {
6. lock = this;
7. }
8.
9. public void write() {
10. synchronized (lock) {
11. long startTime = System.currentTimeMillis();
12. System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
13. for (;;)// 模拟要处理很长时间
14. {
15. if (System.currentTimeMillis()
16. - startTime > Integer.MAX_VALUE) {
17. break;
18. }
19. }
20. System.out.println("终于写完了");
21. }
22. }
23.
24. public void read() {
25. synchronized (lock) {
26. System.out.println("从这个buff读数据");
27. }
28. }
29.
30. public static void main(String[] args) {
31. Buffer buff = new Buffer();
32.
33. final Writer writer = new Writer(buff);
34. final Reader reader = new Reader(buff);
35.
36. writer.start();
37. reader.start();
38.
39. new Thread(new Runnable() {
40.
41. @Override
42. public void run() {
43. long start = System.currentTimeMillis();
44. for (;;) {
45. //等5秒钟去中断读
46. if (System.currentTimeMillis()
47. - start > 5000) {
48. System.out.println("不等了,尝试中断");
49. reader.interrupt(); //尝试中断读线程
50. break;
51. }
52.
53. }
54.
55. }
56. }).start();
57. // 我们期待“读”这个线程能退出等待锁,可是事与愿违,一旦读这个线程发现自己得不到锁,
58. // 就一直开始等待了,就算它等死,也得不到锁,因为写线程要21亿秒才能完成 T_T ,即使我们中断它,
59. // 它都不来响应下,看来真的要等死了。这个时候,ReentrantLock给了一种机制让我们来响应中断,
60. // 让“读”能伸能屈,勇敢放弃对这个锁的等待。我们来改写Buffer这个类,就叫BufferInterruptibly吧,可中断缓存。
61. }
62. }
63.
64. class Writer extends Thread {
65.
66. private Buffer buff;
67.
68. public Writer(Buffer buff) {
69. this.buff = buff;
70. }
71.
72. @Override
73. public void run() {
74. buff.write();
75. }
76. }
77.
78. class Reader extends Thread {
79.
80. private Buffer buff;
81.
82. public Reader(Buffer buff) {
83. this.buff = buff;
84. }
85.
86. @Override
87. public void run() {
88.
89. buff.read();//这里估计会一直阻塞
90.
91. System.out.println("读结束");
92.
93. }
94. }
执行结果如下:
我们等待了很久,后面依然没有输出,说明读线程对互斥锁的等待并没有被中断,也就是该户吃锁没有响应对读线程的中断。
我们再将上面代码中synchronized的互斥锁改为ReentrantLock的响应中断锁,即改为如下代码:
[java] view plain copy
1. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
2.
3. public class BufferInterruptibly {
4.
5. private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
6.
7. public void write() {
8. lock.lock();
9. try {
10. long startTime = System.currentTimeMillis();
11. System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
12. for (;;)// 模拟要处理很长时间
13. {
14. if (System.currentTimeMillis()
15. - startTime > Integer.MAX_VALUE) {
16. break;
17. }
18. }
19. System.out.println("终于写完了");
20. } finally {
21. lock.unlock();
22. }
23. }
24.
25. public void read() throws InterruptedException {
26. lock.lockInterruptibly();// 注意这里,可以响应中断
27. try {
28. System.out.println("从这个buff读数据");
29. } finally {
30. lock.unlock();
31. }
32. }
33.
34. public static void main(String args[]) {
35. BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly();
36.
37. final Writer2 writer = new Writer2(buff);
38. final Reader2 reader = new Reader2(buff);
39.
40. writer.start();
41. reader.start();
42.
43. new Thread(new Runnable() {
44.
45. @Override
46. public void run() {
47. long start = System.currentTimeMillis();
48. for (;;) {
49. if (System.currentTimeMillis()
50. - start > 5000) {
51. System.out.println("不等了,尝试中断");
52. reader.interrupt(); //此处中断读操作
53. break;
54. }
55. }
56. }
57. }).start();
58.
59. }
60. }
61.
62. class Reader2 extends Thread {
63.
64. private BufferInterruptibly buff;
65.
66. public Reader2(BufferInterruptibly buff) {
67. this.buff = buff;
68. }
69.
70. @Override
71. public void run() {
72.
73. try {
74. buff.read();//可以收到中断的异常,从而有效退出
75. } catch (InterruptedException e) {
76. System.out.println("我不读了");
77. }
78.
79. System.out.println("读结束");
80.
81. }
82. }
83.
84. class Writer2 extends Thread {
85.
86. private BufferInterruptibly buff;
87.
88. public Writer2(BufferInterruptibly buff) {
89. this.buff = buff;
90. }
91.
92. @Override
93. public void run() {
94. buff.write();
95. }
96.
97. }
执行结果如下:
从结果中可以看出,尝试中断后输出了catch语句块中的内容,也输出了后面的“读结束”,说明线程对互斥锁的等待被中断了,也就是该互斥锁响应了对读线程的中断。
条件变量实现线程间协作
在生产者——消费者模型一文中,我们用synchronized实现互斥,并配合使用Object对象的wait()和notify()或notifyAll()方法来实现线程间协作。Java 5之后,我们可以用Reentrantlock锁配合Condition对象上的await()和signal()或signalAll()方法来实现线程间协作。在ReentrantLock对象上newCondition()可以得到一个Condition对象,可以通过在Condition上调用await()方法来挂起一个任务(线程),通过在Condition上调用signal()来通知任务,从而唤醒一个任务,或者调用signalAll()来唤醒所有在这个Condition上被其自身挂起的任务。另外,如果使用了公平锁,signalAll()的与Condition关联的所有任务将以FIFO队列的形式获取锁,如果没有使用公平锁,则获取锁的任务是随机的,这样我们便可以更好地控制处在await状态的任务获取锁的顺序。与notifyAll()相比,signalAll()是更安全的方式。另外,它可以指定唤醒与自身Condition对象绑定在一起的任务。
下面将生产者——消费者模型一文中的代码改为用条件变量实现,如下:
[java] view plain copy
1. import java.util.concurrent.*;
2. import java.util.concurrent.locks.*;
3.
4. class Info{ // 定义信息类
5. private String name = "name";//定义name属性,为了与下面set的name属性区别开
6. private String content = "content" ;// 定义content属性,为了与下面set的content属性区别开
7. private boolean flag = true ; // 设置标志位,初始时先生产
8. private Lock lock = new ReentrantLock();
9. private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象
10. public void set(String name,String content){
11. lock.lock();
12. try{
13. while(!flag){
14. condition.await() ;
15. }
16. this.setName(name) ; // 设置名称
17. Thread.sleep(300) ;
18. this.setContent(content) ; // 设置内容
19. flag = false ; // 改变标志位,表示可以取走
20. condition.signal();
21. }catch(InterruptedException e){
22. e.printStackTrace() ;
23. }finally{
24. lock.unlock();
25. }
26. }
27.
28. public void get(){
29. lock.lock();
30. try{
31. while(flag){
32. condition.await() ;
33. }
34. Thread.sleep(300) ;
35. System.out.println(this.getName() +
36. " --> " + this.getContent()) ;
37. flag = true ; // 改变标志位,表示可以生产
38. condition.signal();
39. }catch(InterruptedException e){
40. e.printStackTrace() ;
41. }finally{
42. lock.unlock();
43. }
44. }
45.
46. public void setName(String name){
47. this.name = name ;
48. }
49. public void setContent(String content){
50. this.content = content ;
51. }
52. public String getName(){
53. return this.name ;
54. }
55. public String getContent(){
56. return this.content ;
57. }
58. }
59. class Producer implements Runnable{ // 通过Runnable实现多线程
60. private Info info = null ; // 保存Info引用
61. public Producer(Info info){
62. this.info = info ;
63. }
64. public void run(){
65. boolean flag = true ; // 定义标记位
66. for(int i=0;i<10;i++){
67. if(flag){
68. this.info.set("姓名--1","内容--1") ; // 设置名称
69. flag = false ;
70. }else{
71. this.info.set("姓名--2","内容--2") ; // 设置名称
72. flag = true ;
73. }
74. }
75. }
76. }
77. class Consumer implements Runnable{
78. private Info info = null ;
79. public Consumer(Info info){
80. this.info = info ;
81. }
82. public void run(){
83. for(int i=0;i<10;i++){
84. this.info.get() ;
85. }
86. }
87. }
88. public class ThreadCaseDemo{
89. public static void main(String args[]){
90. Info info = new Info(); // 实例化Info对象
91. Producer pro = new Producer(info) ; // 生产者
92. Consumer con = new Consumer(info) ; // 消费者
93. new Thread(pro).start() ;
94. //启动了生产者线程后,再启动消费者线程
95. try{
96. Thread.sleep(500) ;
97. }catch(InterruptedException e){
98. e.printStackTrace() ;
99. }
100.
101. new Thread(con).start() ;
102. }
103. }
执行后,同样可以得到如下的结果:
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
姓名--1 --> 内容--1
姓名--2 --> 内容--2
从以上并不能看出用条件变量的await()、signal()、signalAll()方法比用Object对象的wait()、notify()、notifyAll()方法实现线程间协作有多少优点,但它在处理更复杂的多线程问题时,会有明显的优势。所以,Lock和Condition对象只有在更加困难的多线程问题中才是必须的。
读写锁
另外,synchronized获取的互斥锁不仅互斥读写操作、写写操作,还互斥读读操作,而读读操作时不会带来数据竞争的,因此对对读读操作也互斥的话,会降低性能。Java 5中提供了读写锁,它将读锁和写锁分离,使得读读操作不互斥,获取读锁和写锁的一般形式如下:
[java] view plain copy
1. ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
2. rwl.writeLock().lock() //获取写锁
3. rwl.readLock().lock() //获取读锁
用读锁来锁定读操作,用写锁来锁定写操作,这样写操作和写操作之间会互斥,读操作和写操作之间会互斥,但读操作和读操作就不会互斥。
以上就是职坐标整理发布关于JAVA的介绍,先祝大家对它有了一定的了解吧,了解更多内容,请关注职坐标编程语言JAVA频道!
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