Java 8新特性探究(十)StampedLock将是解决同步问题的新宠

Java8就像一个宝藏,一个小的API改进,也足与写一篇文章,比如同步,一直是多线程并发编程的一个老话题,相信没有人喜欢同步的代码,这会降低应用的吞吐量等性能指标,最坏的时候会挂起死机,但是即使这样你也没得选择,因为要保证信息的正确性。所以本文决定将从synchronized、Lock到Java8新增的StampedLock进行对比分析,相信StampedLock不会让大家失望。

synchronized

在java5之前,实现同步主要是使用synchronized。它是Java语言的关键字,当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候,能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。

有四种不同的同步块:

  1. 实例方法
  2. 静态方法
  3. 实例方法中的同步块
  4. 静态方法中的同步块

大家对此应该不陌生,所以不多讲了,以下是代码示例

synchronized(this)
// do operation
}

小结:在多线程并发编程中Synchronized一直是元老级角色,很多人都会称呼它为重量级锁,但是随着Java SE1.6对Synchronized进行了各种优化之后,性能上也有所提升。

Lock

rwlock.writeLock().lock();
try {
// do operation
} finally {
rwlock.writeLock().unlock();
}

它是Java 5在java.util.concurrent.locks新增的一个API。

Lock是一个接口,核心方法是lock(),unlock(),tryLock(),实现类有ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock.ReadLock, ReentrantReadWriteLock.WriteLock;

ReentrantReadWriteLock, ReentrantLock 和synchronized锁都有相同的内存语义。

与synchronized不同的是,Lock完全用Java写成,在java这个层面是无关JVM实现的。Lock提供更灵活的锁机制,很多synchronized 没有提供的许多特性,比如锁投票,定时锁等候和中断锁等候,但因为lock是通过代码实现的,要保证锁定一定会被释放,就必须将unLock()放到finally{}中

下面是Lock的一个代码示例

class Point {
   private double x, y;
   private final StampedLock sl = new StampedLock();
   void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
     long stamp = sl.writeLock();
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp);
     }
   }
  //下面看看乐观读锁案例
   double distanceFromOrigin() { // A read-only method
     long stamp = sl.tryOptimisticRead(); //获得一个乐观读锁
     double currentX = x, currentY = y; //将两个字段读入本地局部变量
     if (!sl.validate(stamp)) { //检查发出乐观读锁后同时是否有其他写锁发生?
        stamp = sl.readLock(); //如果没有,我们再次获得一个读悲观锁
        try {
          currentX = x; // 将两个字段读入本地局部变量
          currentY = y; // 将两个字段读入本地局部变量
        } finally {
           sl.unlockRead(stamp);
        }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }
//下面是悲观读锁案例
   void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
     // Could instead start with optimistic, not read mode
     long stamp = sl.readLock();
     try {
       while (x == 0.0 && y == 0.0) { //循环,检查当前状态是否符合
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); //将读锁转为写锁
         if (ws != 0L) { //这是确认转为写锁是否成功
           stamp = ws; //如果成功 替换票据
           x = newX; //进行状态改变
           y = newY; //进行状态改变
           break;
         }
         else { //如果不能成功转换为写锁
           sl.unlockRead(stamp); //我们显式释放读锁
           stamp = sl.writeLock(); //显式直接进行写锁 然后再通过循环再试
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp); //释放读锁或写锁
     }
   }
 }

小结:比synchronized更灵活、更具可伸缩性的锁定机制,但不管怎么说还是synchronized代码要更容易书写些

StampedLock

它是java8在java.util.concurrent.locks新增的一个API。

ReentrantReadWriteLock 在沒有任何读写锁时,才可以取得写入锁,这可用于实现了悲观读取(Pessimistic Reading),即如果执行中进行读取时,经常可能有另一执行要写入的需求,为了保持同步,ReentrantReadWriteLock 的读取锁定就可派上用场。

然而,如果读取执行情况很多,写入很少的情况下,使用 ReentrantReadWriteLock 可能会使写入线程遭遇饥饿(Starvation)问题,也就是写入线程吃吃无法竞争到锁定而一直处于等待状态。

StampedLock控制锁有三种模式(写,读,乐观读),一个StampedLock状态是由版本和模式两个部分组成,锁获取方法返回一个数字作为票据stamp,它用相应的锁状态表示并控制访问,数字0表示没有写锁被授权访问。在读锁上分为悲观锁和乐观锁。

所谓的乐观读模式,也就是若读的操作很多,写的操作很少的情况下,你可以乐观地认为,写入与读取同时发生几率很少,因此不悲观地使用完全的读取锁定,程序可以查看读取资料之后,是否遭到写入执行的变更,再采取后续的措施(重新读取变更信息,或者抛出异常) ,这一个小小改进,可大幅度提高程序的吞吐量!!

下面是java doc提供的StampedLock一个例子

class Point {
   private double x, y;
   private final StampedLock sl = new StampedLock();
   void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
     long stamp = sl.writeLock();
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp);
     }
   }
  //下面看看乐观读锁案例
   double distanceFromOrigin() { // A read-only method
     long stamp = sl.tryOptimisticRead(); //获得一个乐观读锁
     double currentX = x, currentY = y; //将两个字段读入本地局部变量
     if (!sl.validate(stamp)) { //检查发出乐观读锁后同时是否有其他写锁发生?
        stamp = sl.readLock(); //如果没有,我们再次获得一个读悲观锁
        try {
          currentX = x; // 将两个字段读入本地局部变量
          currentY = y; // 将两个字段读入本地局部变量
        } finally {
           sl.unlockRead(stamp);
        }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }
//下面是悲观读锁案例
   void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
     // Could instead start with optimistic, not read mode
     long stamp = sl.readLock();
     try {
       while (x == 0.0 && y == 0.0) { //循环,检查当前状态是否符合
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); //将读锁转为写锁
         if (ws != 0L) { //这是确认转为写锁是否成功
           stamp = ws; //如果成功 替换票据
           x = newX; //进行状态改变
           y = newY; //进行状态改变
           break;
         }
         else { //如果不能成功转换为写锁
           sl.unlockRead(stamp); //我们显式释放读锁
           stamp = sl.writeLock(); //显式直接进行写锁 然后再通过循环再试
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp); //释放读锁或写锁
     }
   }
 }

小结:

StampedLock要比ReentrantReadWriteLock更加廉价,也就是消耗比较小。

StampedLock与ReadWriteLock性能对比

下图是和ReadWritLock相比,在一个线程情况下,是读速度其4倍左右,写是1倍。

下图是六个线程情况下,读性能是其几十倍,写性能也是近10倍左右:

下图是吞吐量提高:

总结

  1. synchronized是在JVM层面上实现的,不但可以通过一些监控工具监控synchronized的锁定,而且在代码执行时出现异常,JVM会自动释放锁定;
  2. ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock,、StampedLock都是对象层面的锁定,要保证锁定一定会被释放,就必须将unLock()放到finally{}中;
  3. StampedLock 对吞吐量有巨大的改进,特别是在读线程越来越多的场景下;
  4. StampedLock有一个复杂的API,对于加锁操作,很容易误用其他方法;
  5. 当只有少量竞争者的时候,synchronized是一个很好的通用的锁实现;
  6. 当线程增长能够预估,ReentrantLock是一个很好的通用的锁实现;

StampedLock 可以说是Lock的一个很好的补充,吞吐量以及性能上的提升足以打动很多人了,但并不是说要替代之前Lock的东西,毕竟他还是有些应用场景的,起码API比StampedLock容易入手,下篇博文争取更新快一点,可能会是Nashorn的内容,这里允许我先卖个关子。。。



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1 条评论

  1. qalong 说道:

    ReentrantLock的示例代码贴错误了

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