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  • Java5 Concurrent包中的锁机制

    转自http://www.iteye.com/topic/333669

            JDK1.5以后加入了concurrent包,主要是为了提高多线程的开发效率,其中提供了很多支持并发的集合类,其中包括:ConcurrentHashMap。大家知道HashTable也是支持并发环境的,也就是说多线程安全的,那两者有什么区别呢?

    分析

            其实简单的说是同步机制有区别,具体区别又在那里呢?

            请看HashTable的put方法:

    Java代码  收藏代码
    1. /** 
    2.      * Maps the specified <code>key</code> to the specified 
    3.      * <code>value</code> in this hashtable. Neither the key nor the 
    4.      * value can be <code>null</code>. <p> 
    5.      * 
    6.      * The value can be retrieved by calling the <code>get</code> method 
    7.      * with a key that is equal to the original key. 
    8.      * 
    9.      * @param      key     the hashtable key 
    10.      * @param      value   the value 
    11.      * @return     the previous value of the specified key in this hashtable, 
    12.      *             or <code>null</code> if it did not have one 
    13.      * @exception  NullPointerException  if the key or value is 
    14.      *               <code>null</code> 
    15.      * @see     Object#equals(Object) 
    16.      * @see     #get(Object) 
    17.      */  
    18.     public synchronized V put(K key, V value) {  
    19.     // Make sure the value is not null  
    20.     if (value == null) {  
    21.         throw new NullPointerException();  
    22.     }  
    23.   
    24.     // Makes sure the key is not already in the hashtable.  
    25.     Entry tab[] = table;  
    26.     int hash = key.hashCode();  
    27.     int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
    28.     for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {  
    29.         if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {  
    30.         V old = e.value;  
    31.         e.value = value;  
    32.         return old;  
    33.         }  
    34.     }  
    35.   
    36.     modCount++;  
    37.     if (count >= threshold) {  
    38.         // Rehash the table if the threshold is exceeded  
    39.         rehash();  
    40.   
    41.             tab = table;  
    42.             index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;  
    43.     }  
    44.   
    45.     // Creates the new entry.  
    46.     Entry<K,V> e = tab[index];  
    47.     tab[index] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
    48.     count++;  
    49.     return null;  
    50.     }  

         代码中使用synchronized函数的方式进行同步,这个类的其他方法也是使用这个机制进行同步的。我们先来大致了解一下synchronized的机制:

         在多线程环境中,Java的对象都会隐式的包含有一个同步队列,其中类会有一个,然后每个类实例也会包含一个。如图:

    sync

    Java代码  收藏代码
    1. class Foo {  
    2.       synchronized void doSomething(); // 把同步的线程放入类实例的同步队列  
    3.       synchronized static void doSomething(); //把同步的线程放入类的同步队列  
    4. }  

     然后我们再来看看ConcurrentHashMap 的put方法:

    Java代码  收藏代码
    1. //ConcurrentHashMap  
    2. public V put(K key, V value) {  
    3.         if (value == null)  
    4.             throw new NullPointerException();  
    5.         int hash = hash(key.hashCode());  
    6.         return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);  
    7.     }  
    8.   
    9. //Segment内部类,继承至ReentrantLock  
    10. V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {  
    11.             lock();  
    12.             try {  
    13.                 int c = count;  
    14.                 if (c++ > threshold) // ensure capacity  
    15.                     rehash();  
    16.                 HashEntry<K,V>[] tab = table;  
    17.                 int index = hash & (tab.length - 1);  
    18.                 HashEntry<K,V> first = tab[index];  
    19.                 HashEntry<K,V> e = first;  
    20.                 while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))  
    21.                     e = e.next;  
    22.   
    23.                 V oldValue;  
    24.                 if (e != null) {  
    25.                     oldValue = e.value;  
    26.                     if (!onlyIfAbsent)  
    27.                         e.value = value;  
    28.                 }  
    29.                 else {  
    30.                     oldValue = null;  
    31.                     ++modCount;  
    32.                     tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value);  
    33.                     count = c; // write-volatile  
    34.                 }  
    35.                 return oldValue;  
    36.             } finally {  
    37.                 unlock();  
    38.             }  
    39.         }  

    ReentrantLock就是Java Concurrent包提供的锁对象,Lock的使用方法大致如下:

    Java代码  收藏代码
    1. Lock l = ...;  
    2. l.lock();  
    3. try {  
    4.     // access the resource protected by this lock  
    5. finally {  
    6.     l.unlock();  
    7. }  

    为什么使用Lock对象会比使用synchronized有更好的性能呢?我们再来看看ReentrantLock的实现:

    Java代码  收藏代码
    1. public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {  
    2.     private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L;  
    3.     /** Synchronizer providing all implementation mechanics */  
    4.     private final Sync sync;  
    5.   
    6.     /** 
    7.      * Base of synchronization control for this lock. Subclassed 
    8.      * into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to 
    9.      * represent the number of holds on the lock. 
    10.      */  
    11.     static abstract class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {  
    12.         private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;  
    13. ..........  
    14. ...........  

     我们从中看到ReentrantLock对象也维护着一个同步队列,性能差别就在于这个队列的实现上,我们再来看AbstractQueuedSynchronizer的代码:

    Java代码  收藏代码
    1.  /** 
    2.      * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above. 
    3.      * @param node the node to insert 
    4.      * @return node's predecessor 
    5.      */  
    6.     private Node enq(final Node node) {  
    7.         for (;;) {  
    8.             Node t = tail;  
    9.             if (t == null) { // Must initialize  
    10.                 Node h = new Node(); // Dummy header  
    11.                 h.next = node;  
    12.                 node.prev = h;  
    13.                 if (compareAndSetHead(h)) {  
    14.                     tail = node;  
    15.                     return h;  
    16.                 }  
    17.             }  
    18.             else {  
    19.                 node.prev = t;  
    20.                 if (compareAndSetTail(t, node)) {  
    21.                     t.next = node;  
    22.                     return t;  
    23.                 }  
    24.             }  
    25.         }  
    26.     }  
    27.   
    28. /** 
    29.      * CAS head field. Used only by enq 
    30.      */  
    31.     private final boolean compareAndSetHead(Node update) {  
    32.         return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);//使用compare and swap方式  
    33.     }  
    34.   
    35.     /** 
    36.      * CAS tail field. Used only by enq 
    37.      */  
    38.     private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {  
    39.         return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);//使用compare and swap方式  
    40.     }  

    到了Unsafe.java这里就要通过本地代码实现了,下面是kaffe里面的本地代码实现:

    C代码  收藏代码
    1. /** 
    2.  * Helper macro, defining a sun.misc.Unsafe compare and swap function  
    3.  * with a given NAME tail and TYPE of arguments. 
    4.  */  
    5. #define KAFFE_UNSAFE_COMPARE_AND_SWAP(NAME, TYPE)  
    6. JNIEXPORT jboolean JNICALL Java_sun_misc_Unsafe_compareAndSwap ## NAME(JNIEnv* env, jobject unsafe UNUSED, jobject obj, jlong offset, TYPE expect, TYPE update)   
    7. {   
    8.   volatile TYPE * address = getFieldAddress(env, obj, offset);   
    9.   if (sizeof(TYPE) == sizeof(gint))   
    10.     return g_atomic_int_compare_and_exchange((volatile gint *) address, (gint) expect, (gint) update);   
    11.   else if (sizeof(TYPE) == sizeof(gpointer))   
    12.     return g_atomic_pointer_compare_and_exchange((volatile gpointer *) address, (gpointer) expect, (gpointer) update);   
    13.   else   
    14.     if (*address == expect) {   
    15.       *address = update;   
    16.       return JNI_TRUE;   
    17.     }   
    18.     else   
    19.       return JNI_FALSE;   
    20. }   

    再看glib的代码:

    C代码  收藏代码
    1. gboolean g_atomic_int_compare_and_exchange (volatile gint *atomic,   
    2.                    gint           oldval,   
    3.                    gint           newval)  
    4. {  
    5.   gint result;  
    6.    
    7.   __asm__ __volatile__ ("lock; cmpxchgl %2, %1"  
    8.             : "=a" (result), "=m" (*atomic)  
    9.             : "r" (newval), "m" (*atomic), "0" (oldval));   
    10.   
    11.   return result == oldval;  
    12. }  

     AT&T汇编,

    cmpxchg

    一条指令总会是原子性的了吧

    总结

         concurrent包中大量使用了新的锁机制,新的Lock机制最终归结到一个原子性操作上,所以会比使用synchronized关键字有更高的性能。

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