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