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  • 十一、JUC包中的锁

    JUC,即java.util.concurrent.

    悲观锁和乐观锁

    悲观锁和乐观锁是一种思想。

    悲观锁,持有一种悲观的态度,认为会出现很坏的情况,所以,先做预防措施。独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁。

    而乐观锁,则是持有一种持有种乐观的态度,认为不会出现什么问题,有问题了再说。

    对于常用多线程编程的人估计知道,在jdk5之前,在多线程编程的时候,为了保证多个线程对一个对象同时进行访问时,我们需要加同步锁synchronized,保证对象的在使用时的正确性,但是加锁的机制会导致如下几个问题

        1.加多线程竞争下,加锁和释放锁会导致较多的上下文切换,引起性能问题。

        2.多线程可以导致死锁的问题。

        3.多线程持有的锁会导致其他需要此锁的线程挂起。

        4......

    CAS(Compare and Swap)无锁算法:英文全称翻译==比较与交换,是一种非阻塞无锁算法。既然是无所就不会出现线程阻塞。CAS的语义是“我认为V的值应该为A,如果是,那么将V的值更新为B,否则不修改并告诉V的值实际为多少”,CAS是项 乐观锁 技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

    我曾经在一家做p2p系统的公司呆过,而系统很多部分基于版本记录机制实现的。即为数据增加一个版本标识,一般在表中添加一个version字段, 读取出数据时,将此版本号一同读出,之后更新时,对版本号进行比对,如果当前版本号与数据库一致,则对数据(version字段进行加1操作)进行更新,否则,认为数据过期,不予处理。

    自旋锁:自旋锁与互斥锁比较类似,它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁,还是自旋锁,在任何时刻,最多只能有一个保持者,也就说,在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁,如果资源已经被占用,资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,"自旋"一词就是因此而得名。

    JUC包中的锁

    相比同步锁,JUC包中的锁的功能更加强大,它为锁提供了一个框架,该框架允许更灵活地使用锁,只是它的用法更难罢了。

      JUC包中的锁,包括:Lock接 口,ReadWriteLock接口,LockSupport阻塞原语,Condition条 件,AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer /AbstractQueuedLongSynchronizer三个抽象类,ReentrantLock独占 锁,ReentrantReadWriteLock读写锁。由于CountDownLatch,CyclicBarrier和Semaphore也是通过 AQS来实现的;因此,我也将它们归纳到锁的框架中进行介绍。

      先看看锁的框架图,如下所示。

    01. Lock接口

      JUC包中的 Lock 接口支持那些语义不同(重入、公平等)的锁规则。所谓语义不同,是指锁可是有"公平机制的锁"、"非公平机制的锁"、"可重入的锁"等等。"公平机制"是 指"不同线程获取锁的机制是公平的",而"非公平机制"则是指"不同线程获取锁的机制是非公平的","可重入的锁"是指同一个锁能够被一个线程多次获取。

    02. ReadWriteLock

      ReadWriteLock 接口以和Lock类似的方式定义了一些读取者可以共享而写入者独占的锁。JUC包只有一个类实现了该接口,即 ReentrantReadWriteLock,因为它适用于大部分的标准用法上下文。但程序员可以创建自己的、适用于非标准要求的实现。

    03. AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer
      AbstractQueuedSynchronizer就是被称之为AQS的 类,它是一个非常有用的超类,可用来定义锁以及依赖于排队阻塞线程的其他同步 器;ReentrantLock,ReentrantReadWriteLock,CountDownLatch,CyclicBarrier和 Semaphore等这些类都是基于AQS类实现的。AbstractQueuedLongSynchronizer 类提供相同的功能但扩展了对同步状态的 64 位的支持。两者都扩展了类 AbstractOwnableSynchronizer(一个帮助记录当前保持独占同步的线程的简单类)。


    04. LockSupport
      LockSupport提供“创建锁”和“其他同步类的基本线程阻塞原语”。
      LockSupport的功能和"Thread中的Thread.suspend()和Thread.resume()有点类 似",LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程。但是park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。

    05. Condition
      Condition需要和Lock联合使用,它的作用是代替Object监视器方法,可以通过await(),signal()来休眠/唤醒线程。
    Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似,但提供了更强大的功能。需要特别指出的是,单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题,Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。

      06. ReentrantLock
      ReentrantLock是独占锁。所谓独占锁,是指只能被独自占领,即同一个时间点只能被一个线程锁获取到的锁。ReentrantLock锁包 括"公平的ReentrantLock"和"非公平的ReentrantLock"。"公平的ReentrantLock"是指"不同线程获取锁的机制是 公平的",而"非公平的  ReentrantLock"则是指"不同线程获取锁的机制是非公平的",ReentrantLock是"可重入的锁"。
      ReentrantLock的UML类图如下:

      (01) ReentrantLock实现了Lock接口。
      (02) ReentrantLock中有一个成员变量sync,sync是Sync类型;Sync是一个抽象类,而且它继承于AQS。
      (03) ReentrantLock中有"公平锁类"FairSync和"非公平锁类"NonfairSync,它们都是Sync的子类。 ReentrantReadWriteLock中sync对象,是FairSync与NonfairSync中的一种,这也意味着 ReentrantLock是"公平锁"或"非公平锁"中的一种,ReentrantLock默认是非公平锁。

    07. ReentrantReadWriteLock
      ReentrantReadWriteLock是读写锁接口ReadWriteLock的实现类,它包括子类ReadLock和WriteLock。ReentrantLock是共享锁,而WriteLock是独占锁。
      ReentrantReadWriteLock的UML类图如下:


      (01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
      (02) ReentrantReadWriteLock中包含sync对象,读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。
      (03) 和"ReentrantLock"一样,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括"公平锁"FairSync和"非公平锁"NonfairSync。


    08. CountDownLatch
      CountDownLatch是一个同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一个或多个线程一直等待。
      CountDownLatch的UML类图如下:


      CountDownLatch包含了sync对象,sync是Sync类型。CountDownLatch的Sync是实例类,它继承于AQS。

    09. CyclicBarrier
      CyclicBarrier是一个同步辅助类,允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环 的 barrier。
      CyclicBarrier的UML类图如下:


      CyclicBarrier是包含了"ReentrantLock对象lock"和"Condition对象trip",它是通过独占锁实现的。
      CyclicBarrier和CountDownLatch的区别是:
      (01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行;而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。
      (02) CountDownLatch的计数器无法被重置;CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用,因此它被称为是循环的barrier。

    10. Semaphore
      Semaphore是一个计数信号量,它的本质是一个"共享锁"。
      信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可;当信号量中有可用的许可时,线程能获取该许可;否则线程必须等待,直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。
      Semaphore的UML类图如下:


      和"ReentrantLock"一样,Semaphore包含了sync对象,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括"公平信号量"FairSync和"非公平信号量"NonfairSync。

     ------更多请参考Java多线程系列--“JUC锁”01之 框架

    concurrent

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