深入理解Java中的锁
为什么要有锁
并发编程领域,有两大核心问题:一个是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;另一个是同步,即线程之间如何通信、协作。这两大问题,管程都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程,其中 Lock 用于解决互斥问题,Condition 用于解决同步问题。
今天我们重点介绍 Lock 的使用,在介绍 Lock 的使用之前,有个问题需要你首先思考一下: Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现,既然 Java 从语言层面已经实现了管 程了,那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢?难道 Java 标准委员会还能同意“重复造轮 子”的方案?很显然它们之间是有巨大区别的。那区别在哪里呢?如果能深入理解这个问题,对 你用好 Lock 帮助很大。下面我们就一起来剖析一下这个问题。
再造管程的理由
你也许曾经听到过很多这方面的传说,例如在 Java 的 1.5 版本中,synchronized 性能不如 SDK 里面的 Lock,但 1.6 版本之后,synchronized 做了很多优化,将性能追了上来,所以 1.6之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。那性能是否可以成为“重复造轮子”的理由呢? 显然不能。因为性能问题优化一下就可以了,完全没必要“重复造轮子”。
到这里,关于这个问题,你是否能够想出一条理由来呢?如果你细心的话,也许能想到一点。那 就是我们前面在介绍死锁问题的时候,提出了一个破坏不可抢占条件方案,但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候,如果申请不到,线程直 接进入阻塞状态了,而线程进入阻塞状态,啥都干不了,也释放不了线程已经占有的资源。但我 们希望的是:
对于“不可抢占”这个条件,占用部分资源的线程进一步申请其他资源时,如果申请不到,可以主动释放它占有的资源,这样不可抢占这个条件就破坏掉了。
如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题,那该怎么设计呢?我觉得有三种方案。
- 能够响应中断。synchronized 的问题是,持有锁 A 后,如果尝试获取锁 B 失败,那么线程就 进入阻塞状态,一旦发生死锁,就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能 够响应中断信号,也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候,能够唤醒它,那它就有 机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
- 支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁,不是进入阻塞状态,而是返回一个错误, 那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
- 非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败,并不进入阻塞状态,而是直接返回,那这个线程也有 机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了,这三个方案就 是“重复造轮子”的主要原因,体现在 API 上,就是 Lock 接口的三个方法。详情如下:
// 支持中断的 API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException; //当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。也就使说,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有在等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
// 支持超时的 API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。
// 支持非阻塞获取锁的 API
boolean tryLock();
如何保证可见性
Java SDK 里面 Lock 的使用,有一个经典的范例,就是try{}finally{}
,需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。这个范例无需多解释,你看一下下面的代码就明白 了。但是有一点需要解释一下,那就是可见性是怎么保证的。你已经知道 Java 里多线程的可见 性是通过 Happens-Before 规则保证的,而 synchronized 之所以能够保证可见性,也是因为有一条 synchronized 相关的规则:synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加 锁。那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢?例如在下面的代码中,线程 T1 对 value 进 行了 +=1 操作,那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗?
答案必须是肯定的。Java SDK 里面锁的实现非常复杂,这里我就不展开细说了,但是原理还是 需要简单介绍一下:它是利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则。Java SDK 里面的 ReentrantLock,内部持有一个 volatile 的成员变量 state,获取锁的时候,会读写 state 的值; 解锁的时候,也会读写 state 的值(简化后的代码如下面所示)。也就是说,在执行 value+=1 之前,程序先读写了一次 volatile 变量 state,在执行 value+=1 之后,又读写了一次 volatile 变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则:
- 顺序性规则:对于线程 T1,value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock();
- volatile 变量规则:由于 state = 1 会先读取 state,所以线程 T1 的 unlock() 操作
Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作;
- volatile 变量规则:由于 state = 1 会先读取 state,所以线程 T1 的 unlock() 操作
- 传递性规则:线程 T1 的 value+=1操作Happen-Before于线程T2的lock()操作。
class SampleLock {
volatile int state;
// 加锁
lock() {
// 省略代码无数
state = 1;
}
// 解锁
unlock() {
// 省略代码无数
state = 0;
}
}
什么是可重入锁
如果你细心观察,会发现我们创建的锁的具体类名是 ReentrantLock,这个翻译过来叫可重入锁,这个概念前面我们一直没有介绍过。所谓可重入锁,顾名思义,指的是线程可以重复获取同一把锁。例如下面代码中,当线程 T1 执行到 ① 处时,已经获取到了锁 rtl ,当在 ① 处调用 get() 方法时,会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时,如果锁 rtl 是可重入的,那么线程 T1 可以再次加锁成功;如果锁 rtl 是不可重入的,那么线程 T1 此时会被阻塞。
除了可重入锁,可能你还听说过可重入函数,可重入函数怎么理解呢?指的是线程可以重复调用?显然不是,所谓可重入函数,指的是多个线程可以同时调用该函数,每个线程都能得到正确结果;同时在一个线程内支持线程切换,无论被切换多少次,结果都是正确的。多线程可以同时执行,还支持线程切换,这意味着什么呢?线程安全啊。所以,可重入函数是线程安全的。
class X {
private final Lock rtl = new ReentrantLock();
int value;
public int get() {
// 获取锁
rtl.lock(); ②
try {
return value;
} finally {
// 保证锁能释放
rtl.unlock();
}
}
public void addOne() {
// 获取锁
rtl.lock();
try {
value = 1 + get(); ①
} finally {
// 保证锁能释放
rtl.unlock();
}
}
}
系统讲解各种锁
image.pngAQS
image.png用锁的最佳实践
你已经知道,用锁虽然能解决很多并发问题,但是风险也是挺高的。可能会导致死锁,也可能影响性能。这方面有是否有相关的最佳实践呢?有,还很多。但是我觉得最值得推荐的是并发大师 Doug Lea《Java 并发编程:设计原则与模式》一书中,推荐的三个用锁的最佳实践,它们分别是:
- 永远只在更新对象的成员变量时加锁
- 永远只在访问可变的成员变量时加锁
- 永远不在调用其他对象的方法时加锁
这三条规则,前两条估计你一定会认同,最后一条你可能会觉得过于严苛。但是我还是倾向于你去遵守,因为调用其他对象的方法,实在是太不安全了,也许“其他”方法里面有线程 sleep() 的调用,也可能会有奇慢无比的 I/O 操作,这些都会严重影响性能。更可怕的是,“其他”类的方法可能也会加锁,然后双重加锁就可能导致死锁。
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java中的锁(一)公平锁与非公平锁
java中的锁(二)AQS
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