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深入分析 Java Lock 同步鎖

2020-12-09 07:16:33 後端開發

前言

Java 的鎖實作,有 Synchronized 和 Lock,上一篇文章深入分析了 Synchronized 的實作原理:由Java 15廢棄偏向鎖,談談Java Synchronized 的鎖機制,

本篇文章深入分析 Lock 的實作,以及對比其與 Synchronized 的不同,

Synchronized 與 Lock 的對比

  • 實作方式:Synchronized 由 JVM 實作;Lock 由 Java 底層代碼實作
  • 鎖獲取:Synchronized 是 JVM 隱式獲取,不用 Java 代碼;Lock 由 Java 代碼實作,有多種獲取方式
  • 鎖的釋放:Synchronized 是 JVM 隱式釋放,不用 Java 代碼;Lock 可通過 Lock.unlock(),在 finally 中釋放
  • 鎖的型別:Synchronized 是非公平、可重入的Lock 是非公平性、公平性、可重入的
  • 鎖的中斷:Synchronized 不支持中斷,Lock 支持中斷

實作原理

Lock 是一個介面類,其介面方法定義:

  • lock():獲取鎖
  • lockInterruptibly():如果當前執行緒未被中斷,則獲取鎖,可以回應中斷
  • tryLock():僅在呼叫時鎖為空閑狀態才獲取該鎖,可以回應中斷
  • tryLock(long time, TimeUnit unit):如果鎖在給定的等待時間內空閑,并且當前執行緒未被中斷,則獲取鎖
  • unlock():釋放鎖
  • newCondition():回傳系結到此 Lock 實體的新 Condition 實體

基礎原理就不贅述了,Lock 介面的常用類:

  • ReentrantLock(重入鎖)
  • ReentrantReadWriteLock(可重入的讀寫鎖)

其都是依賴 AQS 實作的,AQS 類結構中包含一個基于鏈表實作的等待佇列(CLH 佇列),用于存盤所有阻塞的執行緒,AQS 中還有一個 state 變數,表示加鎖狀態,

ReentrantLock

ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock 是獨占鎖,對于同一份資料,如果一個執行緒讀資料,另一個執行緒在寫資料,那么讀到的資料與最終的資料可能不一致,

在實際的業務場景中,讀操作遠遠大于寫操作,在多執行緒編程中,讀操作不會修改共享資源的資料,針對讀多寫少的場景,我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 來優化,ReentrantReadWriteLock 內部維護了 2 個鎖:讀鎖 ReadLock,寫鎖 WriteLock

規則簡單概括為:

  • 如果寫鎖沒有被占用,就可以獲取讀鎖
  • 如果讀鎖沒有被占用,才可以獲取寫鎖

下面的測驗代碼,因為讀鎖和寫鎖是同時 lock 的,所以會死鎖,

@Test
public void testReadWriteLock() {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    System.out.println("Hello");
    lock.readLock().unlock();
    lock.writeLock().unlock();
}

StampedLock

上述 ReentrantReadWriteLock 會有一個問題:在讀很多,寫很少的情況下,執行緒會因一直無法獲取到鎖而處于等待狀態,

在 JDK 1.8 中,Java 提供了 StampedLock,有三種模式:

  • 悲觀讀
  • 樂觀讀

一個寫執行緒獲取寫鎖,通過 WriteLock 獲取票據 stamp,WriteLock 是一個獨占鎖,unlockWrite 需要傳遞引數 stamp,

不一樣的地方在于讀程序,執行緒會先通過樂觀鎖 tryOptimisticRead 獲取票據 stamp,如果當前沒有執行緒持有寫鎖,則會回傳一非 0 的 stamp 資訊,執行緒獲取該 stamp 后,會拷貝一份共享資源到房發展,

之后方法還需要呼叫 validate,驗證之前呼叫 tryOptimisticRead 回傳的 stamp 在當前是否有其它執行緒持有了寫鎖,如果是,那么 validate 會回傳 0,升級為悲觀鎖;否則就可以使用該 stamp 版本的鎖對資料進行操作,

總結

相比于 Synchronized 同步鎖,Lock 實作的鎖更加靈活:

  • 可以分為讀寫鎖,優化讀大于寫的場景
  • 可以中斷
  • 可以超時
  • 可以區分公平性

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