Java锁:重入锁,读写锁,乐观锁,悲观锁,CAS无锁模式

开发 后端
锁作为并发共享数据,保证一致性的工具,在JAVA平台有多种实现(如 synchronized(重量级) 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

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重入锁

锁作为并发共享数据,保证一致性的工具,在JAVA平台有多种实现(如 synchronized(重量级) 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

重入锁,也叫做递归锁,指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ,内层递归函数仍然有获取该锁的代码,但不受影响。

在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

  1. public class Test implements Runnable { 
  2.     public synchronized void get() { 
  3.         System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();"); 
  4.         set(); 
  5.     } 
  6.     public synchronized void set() { 
  7.         System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();"); 
  8.     } 
  9.     @Override 
  10.     public void run() { 
  11.         get(); 
  12.     } 
  13.     public static void main(String[] args) { 
  14.         Test ss = new Test(); 
  15.         new Thread(ss).start(); 
  16.         new Thread(ss).start(); 
  17.         new Thread(ss).start(); 
  18.         new Thread(ss).start(); 
  19.     } 
  20. public class Test02 extends Thread { 
  21.     ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
  22.     public void get() { 
  23.         lock.lock(); 
  24.         System.out.println(Thread.currentThread().getId()); 
  25.         set(); 
  26.         lock.unlock(); 
  27.     } 
  28.     public void set() { 
  29.         lock.lock(); 
  30.         System.out.println(Thread.currentThread().getId()); 
  31.         lock.unlock(); 
  32.     } 
  33.     @Override 
  34.     public void run() { 
  35.         get(); 
  36.     } 
  37.     public static void main(String[] args) { 
  38.         Test ss = new Test(); 
  39.         new Thread(ss).start(); 
  40.         new Thread(ss).start(); 
  41.         new Thread(ss).start(); 
  42.     } 

读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现,读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作,且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候,两个线程同时读一个资源没有任何问题,所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源,就不应该再有其它线程对该资源进行读或写(译者注:也就是说:读-读能共存,读-写不能共存,写-写不能共存)。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此,我们还是应该了解其实现背后的原理。

  1. public class Cache { 
  2.     static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>(); 
  3.     static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
  4.     static Lock r = rwl.readLock(); 
  5.     static Lock w = rwl.writeLock(); 
  6.     // 获取一个key对应的value 
  7.     public static final Object get(String key) { 
  8.         r.lock(); 
  9.         try { 
  10.             System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始"); 
  11.             Thread.sleep(100); 
  12.             Object object = map.get(key); 
  13.             System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束"); 
  14.             System.out.println(); 
  15.             return object; 
  16.         } catch (InterruptedException e) { 
  17.         } finally { 
  18.             r.unlock(); 
  19.         } 
  20.         return key
  21.     } 
  22.     // 设置key对应的value,并返回旧有的value 
  23.     public static final Object put(String key, Object value) { 
  24.         w.lock(); 
  25.         try { 
  26.             System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始."); 
  27.             Thread.sleep(100); 
  28.             Object object = map.put(key, value); 
  29.             System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束."); 
  30.             System.out.println(); 
  31.             return object; 
  32.         } catch (InterruptedException e) { 
  33.         } finally { 
  34.             w.unlock(); 
  35.         } 
  36.         return value; 
  37.     } 
  38.     // 清空所有的内容 
  39.     public static final void clear() { 
  40.         w.lock(); 
  41.         try { 
  42.             map.clear(); 
  43.         } finally { 
  44.             w.unlock(); 
  45.         } 
  46.     } 
  47.     public static void main(String[] args) { 
  48.         new Thread(new Runnable() { 
  49.             @Override 
  50.             public void run() { 
  51.                 for (int i = 0; i < 10; i++) { 
  52.                     Cache.put(i + "", i + ""); 
  53.                 } 
  54.             } 
  55.         }).start(); 
  56.         new Thread(new Runnable() { 
  57.             @Override 
  58.             public void run() { 
  59.                 for (int i = 0; i < 10; i++) { 
  60.                     Cache.get(i + ""); 
  61.                 } 
  62.             } 
  63.         }).start(); 
  64.     } 

悲观锁、乐观锁

乐观锁

总是认为不会产生并发问题,每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改,因此不会上锁,但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改,一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

version方式:一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段,表示数据被修改的次数,当数据被修改时,version值会加一。当线程A要更新数据值时,在读取数据的同时也会读取version值,在提交更新时,若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新,否则重试更新操作,直到更新成功。

核心SQL语句

  1. update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version}; 

CAS操作方式:即compare and swap 或者 compare and set,涉及到三个操作数,数据所在的内存值,预期值,新值。当需要更新时,判断当前内存值与之前取到的值是否相等,若相等,则用新值更新,若失败则重试,一般情况下是一个自旋操作,即不断的重试。

悲观锁

总是假设最坏的情况,每次取数据时都认为其他线程会修改,所以都会加锁(读锁、写锁、行锁等),当其他线程想要访问数据时,都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现,如行锁、读锁和写锁等,都是在操作之前加锁,在Java中,synchronized的思想也是悲观锁。

原子类

java.util.concurrent.atomic包:原子类的小工具包,支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量,能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值,并提供了 get 和 set 方法,这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法(如果该方法成功执行,那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果),以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类,但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性,因为它直接利用了硬件对并发的支持。

为什么会有原子类

CAS:Compare and Swap,即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。

如果同一个变量要被多个线程访问,则可以使用该包中的类

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

CAS无锁模式

什么是CAS

CAS:Compare and Swap,即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。

CAS算法理解

(1)与锁相比,使用比较交换(下文简称CAS)会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性,它对死锁问题天生免疫,并且,线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是,使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销,也没有线程间频繁调度带来的开销,因此,它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

(2)无锁的好处:

第一,在高并发的情况下,它比有锁的程序拥有更好的性能;

第二,它天生就是死锁免疫的。

就凭借这两个优势,就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

(3)CAS算法的过程是这样:它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量,E表示预期值,N表示新值。仅当V值等于E值时,才会将V的值设为N,如果V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。最后,CAS返回当前V的真实值。

(4)CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败。失败的线程不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理,CAS操作即使没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处理。

(5)简单地说,CAS需要你额外给出一个期望值,也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样,那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取,再次尝试修改就好了。

(6)在硬件层面,大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后,虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构,并且,这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类:原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念,有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

  1. public class Test0001 implements Runnable { 
  2.     private static Integer count = 1; 
  3.     private static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger(); 
  4.     @Override 
  5.     public void run() { 
  6.         while (true) { 
  7.             int count = getCountAtomic(); 
  8.             System.out.println(count); 
  9.             if (count >= 150) { 
  10.                 break; 
  11.             } 
  12.         } 
  13.     } 
  14.     public synchronized Integer getCount() { 
  15.         try { 
  16.             Thread.sleep(50); 
  17.         } catch (Exception e) { 
  18.             // TODO: handle exception 
  19.         } 
  20.         return count++; 
  21.     } 
  22.     public Integer getCountAtomic() { 
  23.         try { 
  24.             Thread.sleep(50); 
  25.         } catch (Exception e) { 
  26.             // TODO: handle exception 
  27.         } 
  28.         return atomic.incrementAndGet(); 
  29.     } 
  30.     public static void main(String[] args) { 
  31.         Test0001 test0001 = new Test0001(); 
  32.         Thread t1 = new Thread(test0001); 
  33.         Thread t2 = new Thread(test0001); 
  34.         t1.start(); 
  35.         t2.start(); 
  36.     } 

CAS(乐观锁算法)的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为:

do{

备份旧数据;

基于旧数据构造新数据;

}while(!CAS( 内存地址,备份的旧数据,新数据 )

 

Java锁-重入锁,读写锁,乐观锁,悲观锁,CAS无锁模式

 

(上图的解释:CPU去更新一个值,但如果想改的值不再是原来的值,操作就失败,因为很明显,有其它操作先改变了这个值。)

就是指当两者进行比较时,如果相等,则证明共享数据没有被修改,替换成新值,然后继续往下运行;如果不相等,说明共享数据已经被修改,放弃已经所做的操作,然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设,采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时,这种假设能带来较大的性能提升。

  1. public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { 
  2.  int v; 
  3.  do { 
  4.  v = getIntVolatile(o, offset); 
  5.  } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); 
  6.  return v; 
  7.  } 
  8. /**  
  9.      * Atomically increments by one the current value.  
  10.      *  
  11.      * @return the updated value  
  12.      */  
  13.     public final int incrementAndGet() {  
  14.      for (;;) {  
  15.      //获取当前值  
  16.      int current = get();  
  17.      //设置期望值  
  18.      int next = current + 1;  
  19.      //调用Native方法compareAndSet,执行CAS操作  
  20.      if (compareAndSet(currentnext))  
  21.      //成功后才会返回期望值,否则无线循环  
  22.      return next;  
  23.      }  
  24.     }  

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题,即ABA问题。

问题:如果变量V初次读取的时候是A,并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A,那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗?

如果在这段期间曾经被改成B,然后又改回A,那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况,java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

分布式锁

如果想在不同的jvm中保证数据同步,使用分布式锁技术。

有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁

 

责任编辑:武晓燕 来源: 今日头条
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