Java并发编程(20):并发新特性—Lock锁和条件变量(含代码)

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:

     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
     ........
     lock.lock();
     try {
          //更新对象的状态
         //捕获异常,必要时恢复到原来的不变约束
        //如果有return语句,放在这里
    } finally {
            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:

	ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	...........
	lock.lockInterruptibly();//获取响应中断锁
	try {
	      //更新对象的状态
	      //捕获异常,必要时恢复到原来的不变约束
	      //如果有return语句,放在这里
	}finally{
		lock.unlock();        //锁必须在finally块中释放
	}

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:

public class Buffer {

    private Object lock;

    public Buffer() {
        lock = this;
    }

    public void write() {
        synchronized (lock) {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
            for (;;)// 模拟要处理很长时间    
            {
                if (System.currentTimeMillis()
                        - startTime > Integer.MAX_VALUE) {
                    break;
                }
            }
            System.out.println("终于写完了");
        }
    }

    public void read() {
        synchronized (lock) {
            System.out.println("从这个buff读数据");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Buffer buff = new Buffer();

        final Writer writer = new Writer(buff);
        final Reader reader = new Reader(buff);

        writer.start();
        reader.start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                long start = System.currentTimeMillis();
                for (;;) {
                    //等5秒钟去中断读    
                    if (System.currentTimeMillis()
                            - start > 5000) {
                        System.out.println("不等了,尝试中断");
                        reader.interrupt();  //尝试中断读线程
                        break;
                    }

                }

            }
        }).start();
        // 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,
        // 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,
        // 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,
        // 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。
    }
}

class Writer extends Thread {

    private Buffer buff;

    public Writer(Buffer buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {
        buff.write();
    }
}

class Reader extends Thread {

    private Buffer buff;

    public Reader(Buffer buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {

        buff.read();//这里估计会一直阻塞    

        System.out.println("读结束");

    }
}

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:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BufferInterruptibly {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void write() {
        lock.lock();
        try {
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("开始往这个buff写入数据…");
            for (;;)// 模拟要处理很长时间    
            {
                if (System.currentTimeMillis()
                        - startTime > Integer.MAX_VALUE) {
                    break;
                }
            }
            System.out.println("终于写完了");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void read() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();// 注意这里,可以响应中断    
        try {
            System.out.println("从这个buff读数据");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String args[]) {
        BufferInterruptibly buff = new BufferInterruptibly();

        final Writer2 writer = new Writer2(buff);
        final Reader2 reader = new Reader2(buff);

        writer.start();
        reader.start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                long start = System.currentTimeMillis();
                for (;;) {
                    if (System.currentTimeMillis()
                            - start > 5000) {
                        System.out.println("不等了,尝试中断");
                        reader.interrupt();  //此处中断读操作
                        break;
                    }
                }
            }
        }).start();

    }
}

class Reader2 extends Thread {

    private BufferInterruptibly buff;

    public Reader2(BufferInterruptibly buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {

        try {
            buff.read();//可以收到中断的异常,从而有效退出    
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("我不读了");
        }

        System.out.println("读结束");

    }
}

class Writer2 extends Thread {

    private BufferInterruptibly buff;

    public Writer2(BufferInterruptibly buff) {
        this.buff = buff;
    }

    @Override
    public void run() {
        buff.write();
    }

}

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

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:
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.locks.*;

class Info{	// 定义信息类
	private String name = "name";//定义name属性,为了与下面set的name属性区别开
	private String content = "content" ;// 定义content属性,为了与下面set的content属性区别开
	private boolean flag = true ;	// 设置标志位,初始时先生产
	private Lock lock = new ReentrantLock();  
	private Condition condition = lock.newCondition(); //产生一个Condition对象
	public  void set(String name,String content){
		lock.lock();
		try{
			while(!flag){
				condition.await() ;
			}
			this.setName(name) ;	// 设置名称
			Thread.sleep(300) ;
			this.setContent(content) ;	// 设置内容
			flag  = false ;	// 改变标志位,表示可以取走
			condition.signal();
		}catch(InterruptedException e){
			e.printStackTrace() ;
		}finally{
			lock.unlock();
		}
	}

	public void get(){
		lock.lock();
		try{
			while(flag){
				condition.await() ;
			}	
			Thread.sleep(300) ;
			System.out.println(this.getName() + 
				" --> " + this.getContent()) ;
			flag  = true ;	// 改变标志位,表示可以生产
			condition.signal();
		}catch(InterruptedException e){
			e.printStackTrace() ;
		}finally{
			lock.unlock();
		}
	}

	public void setName(String name){
		this.name = name ;
	}
	public void setContent(String content){
		this.content = content ;
	}
	public String getName(){
		return this.name ;
	}
	public String getContent(){
		return this.content ;
	}
}
class Producer implements Runnable{	// 通过Runnable实现多线程
	private Info info = null ;		// 保存Info引用
	public Producer(Info info){
		this.info = info ;
	}
	public void run(){
		boolean flag = true ;	// 定义标记位
		for(int i=0;i<10;i++){
			if(flag){
				this.info.set("姓名--1","内容--1") ;	// 设置名称
				flag = false ;
			}else{
				this.info.set("姓名--2","内容--2") ;	// 设置名称
				flag = true ;
			}
		}
	}
}
class Consumer implements Runnable{
	private Info info = null ;
	public Consumer(Info info){
		this.info = info ;
	}
	public void run(){
		for(int i=0;i<10;i++){
			this.info.get() ;
		}
	}
}
public class ThreadCaseDemo{
	public static void main(String args[]){
		Info info = new Info();	// 实例化Info对象
		Producer pro = new Producer(info) ;	// 生产者
		Consumer con = new Consumer(info) ;	// 消费者
		new Thread(pro).start() ;
		//启动了生产者线程后,再启动消费者线程
		try{
			Thread.sleep(500) ;
		}catch(InterruptedException e){
			e.printStackTrace() ;
		}

		new Thread(con).start() ;
	}
}

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:

ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();	 
rwl.writeLock().lock()  //获取写锁
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。

《Java并发编程实践》一书给出了使用 ReentrantLock的最佳时机:

当你需要以下高级特性时,才应该使用:可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操作,公平队列,或者非块结构的锁。否则,请使用synchronized。

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