并發(fā)編程之鎖的深入化

Java 鎖的深入化

重入鎖

鎖作為并發(fā)共享數(shù)據(jù)，保證一致性的工具，在JAVA平臺(tái)有多種實(shí)現(xiàn)，如?synchronized（重量級(jí)）和ReentrantLock（輕量級(jí)）等。這些已經(jīng)寫好提供的鎖為我們開發(fā)提供了便利。?重入鎖，也叫做遞歸鎖，指的是同一線程外層函數(shù)獲得鎖之后 ，內(nèi)層遞歸函數(shù)仍然有獲取該鎖的代碼，但不受影響。 在JAVA環(huán)境下?ReentrantLock[1]?和?synchronized[2]都是 可重入鎖

public?class?Test02?extends?Thread?{ ReentrantLock?lock?=?new?ReentrantLock(); public?void?get()?{ lock.lock(); System.out.println(Thread.currentThread().getId()); set(); lock.unlock(); } public?void?set()?{ lock.lock(); System.out.println(Thread.currentThread().getId()); lock.unlock(); } @Override public?void?run()?{ get(); } public?static?void?main(String[]?args)?{ Test?ss?=?new?Test(); new?Thread(ss).start(); new?Thread(ss).start(); new?Thread(ss).start(); } }

public?class?Test?implements?Runnable?{ public??synchronized?void?get()?{ System.out.println("name:"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"?get();"); set(); } public?synchronized??void?set()?{ System.out.println("name:"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"?set();"); } @Override public?void?run()?{ get(); } public?static?void?main(String[]?args)?{ Test?ss?=?new?Test(); new?Thread(ss).start(); new?Thread(ss).start(); new?Thread(ss).start(); new?Thread(ss).start(); } }

讀寫鎖

相比Java中的鎖(Locks in Java)里L(fēng)ock實(shí)現(xiàn)，讀寫鎖更復(fù)雜一些。假設(shè)你的程序中涉及到對(duì)一些共享資源的讀和寫操作，且寫操作沒有讀操作那么頻繁。在沒有寫操作的時(shí)候，兩個(gè)線程同時(shí)讀一個(gè)資源沒有任何問題，所以應(yīng)該允許多個(gè)線程能在同時(shí)讀取共享資源。但是如果有一個(gè)線程想去寫這些共享資源，就不應(yīng)該再有其它線程對(duì)該資源進(jìn)行讀或?qū)?譯者注：也就是說(shuō)：讀-讀能共存，讀-寫不能共存，寫-寫不能共存。這就需要一個(gè)讀/寫鎖來(lái)解決這個(gè)問題。

Java5在?java.util.concurrent?包中已經(jīng)包含了讀寫鎖。盡管如此，我們還是應(yīng)該了解其實(shí)現(xiàn)背后的原理。

public?class?Cache?{ static?Map?map?=?new?HashMap(); static?ReentrantReadWriteLock?rwl?=?new?ReentrantReadWriteLock(); static?Lock?r?=?rwl.readLock(); static?Lock?w?=?rwl.writeLock(); //?獲取一個(gè)key對(duì)應(yīng)的value public?static?final?Object?get(String?key)?{ r.lock(); try?{ System.out.println("正在做讀的操作,key:"?+?key?+?"?開始"); Thread.sleep(100); Object?object?=?map.get(key); System.out.println("正在做讀的操作,key:"?+?key?+?"?結(jié)束"); System.out.println(); return?object; }?catch?(InterruptedException?e)?{ }?finally?{ r.unlock(); } return?key; } //?設(shè)置key對(duì)應(yīng)的value，并返回舊有的value public?static?final?Object?put(String?key,?Object?value)?{ w.lock(); try?{ System.out.println("正在做寫的操作,key:"?+?key?+?",value:"?+?value?+?"開始."); Thread.sleep(100); Object?object?=?map.put(key,?value); System.out.println("正在做寫的操作,key:"?+?key?+?",value:"?+?value?+?"結(jié)束."); System.out.println(); return?object; }?catch?(InterruptedException?e)?{ }?finally?{ w.unlock(); } return?value; } //?清空所有的內(nèi)容 public?static?final?void?clear()?{ w.lock(); try?{ map.clear(); }?finally?{ w.unlock(); } } public?static?void?main(String[]?args)?{ new?Thread(new?Runnable()?{ @Override public?void?run()?{ for?(int?i?=?0;?i?

悲觀和樂觀鎖

樂觀鎖

總是認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)問題，每次去取數(shù)據(jù)的時(shí)候總認(rèn)為不會(huì)有其他線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，因此不會(huì)上鎖，但是在更新時(shí)會(huì)判斷其他線程在這之前有沒有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，一般會(huì)使用版本號(hào)機(jī)制或CAS操作實(shí)現(xiàn)。

**version方式：**一般是在數(shù)據(jù)表中加上一個(gè)數(shù)據(jù)版本號(hào)version字段，表示數(shù)據(jù)被修改的次數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時(shí)，version值會(huì)加一。當(dāng)線程A要更新數(shù)據(jù)值時(shí)，在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)讀取version值，在提交更新時(shí)，若剛才讀取到的version值為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中的version值相等時(shí)才更新，否則重試更新操作，直到更新成功。

核心SQL語(yǔ)句

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，涉及到三個(gè)操作數(shù)，數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存值，預(yù)期值，新值。當(dāng)需要更新時(shí)，判斷當(dāng)前內(nèi)存值與之前取到的值是否相等，若相等，則用新值更新，若失敗則重試，一般情況下是一個(gè)自旋操作，即不斷的重試。

悲觀鎖

總是假設(shè)最壞的情況，每次取數(shù)據(jù)時(shí)都認(rèn)為其他線程會(huì)修改，所以都會(huì)加鎖（讀鎖、寫鎖、行鎖等），當(dāng)其他線程想要訪問數(shù)據(jù)時(shí)，都需要阻塞掛起。可以依靠數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，如行鎖、讀鎖和寫鎖等，都是在操作之前加鎖，在Java中，synchronized的思想也是悲觀鎖。

原子類

**java.util.concurrent.atomic包：**原子類的小工具包，支持在單個(gè)變量上解除鎖的線程安全編程原子變量類相當(dāng)于一種泛化的?volatile?變量，能夠支持原子的和有條件的讀-改-寫操作。AtomicInteger?表示一個(gè)int類型的值，并提供了 get 和 set 方法，這些?Volatile?類型的int變量在讀取和寫入上有著相同的內(nèi)存語(yǔ)義。它還提供了一個(gè)原子的?compareAndSet?方法（如果該方法成功執(zhí)行，那么將實(shí)現(xiàn)與讀取/寫入一個(gè)?volatile?變量相同的內(nèi)存效果），以及原子的添加、遞增和遞減等方法。AtomicInteger?表面上非常像一個(gè)擴(kuò)展的?Counter?類，但在發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)的情況下能提供更高的可伸縮性，因?yàn)樗苯永昧擞布?duì)并發(fā)的支持。

為什么會(huì)有原子類

如果一個(gè)變量要被多個(gè)線程訪問，則可以使用該包中的類

Java中的原子操作類大致可以分為4類：

這些原子類中都是用了無(wú)鎖的概念，有的地方直接使用CAS操作的線程安全的類型。

AtomicBooleanAtomicIntegerAtomicLongAtomicReference

原子更新基本類型

原子更新數(shù)組類型

原子更新引用類型

原子更新屬性類型

public?class?Test0001?implements?Runnable?{ private?static?Integer?count?=?1; private?static?AtomicInteger?atomic?=?new?AtomicInteger(); @Override public?void?run()?{ while?(true)?{ int?count?=?getCountAtomic(); System.out.println(count); if?(count?>=?150)?{ break; } } } public?synchronized?Integer?getCount()?{ try?{ Thread.sleep(50); }?catch?(Exception?e)?{ //?TODO:?handle?exception } return?count++; } public?Integer?getCountAtomic()?{ try?{ Thread.sleep(50); }?catch?(Exception?e)?{ //?TODO:?handle?exception } return?atomic.incrementAndGet(); } public?static?void?main(String[]?args)?{ Test0001?test0001?=?new?Test0001(); Thread?t1?=?new?Thread(test0001); Thread?t2?=?new?Thread(test0001); t1.start(); t2.start(); } }

CAS無(wú)鎖機(jī)制

什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比較再交換。

jdk5增加了并發(fā)包java.util.concurrent,其下面的類使用CAS算法實(shí)現(xiàn)了區(qū)別于synchronouse同步鎖的一種樂觀鎖。JDK 5之前Java語(yǔ)言是靠synchronized關(guān)鍵字保證同步的，這是一種獨(dú)占鎖，也是是悲觀鎖。

CAS算法的理解

在高并發(fā)的情況下，它比有鎖的程序擁有更好的性能；

它天生就是死鎖免疫的。

與鎖相比，使用比較交換（下文簡(jiǎn)稱CAS）會(huì)使程序看起來(lái)更加復(fù)雜一些。但由于其非阻塞性，它對(duì)死鎖問題天生免疫，并且，線程間的相互影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比基于鎖的方式要小。更為重要的是，使用無(wú)鎖的方式完全沒有鎖競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的系統(tǒng)開銷，也沒有線程間頻繁調(diào)度帶來(lái)的開銷，因此，它要比基于鎖的方式擁有更優(yōu)越的性能。

CAS算法的過程是這樣：它包含三個(gè)參數(shù)CAS(V,E,N):?*V表示要更新的變量，E表示預(yù)期值，N表示新值。*僅當(dāng)V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V的值設(shè)為N，如果V值和E值不同，則說(shuō)明已經(jīng)有其他線程做了更新，則當(dāng)前線程什么都不做。最后，CAS返回當(dāng)前V的真實(shí)值。

CAS操作是抱著樂觀的態(tài)度進(jìn)行的，它總是認(rèn)為自己可以成功完成操作。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)使用CAS操作一個(gè)變量時(shí)，只有一個(gè)會(huì)勝出，并成功更新，其余均會(huì)失敗。失敗的線程不會(huì)被掛起，僅是被告知失敗，并且允許再次嘗試，當(dāng)然也允許失敗的線程放棄操作。基于這樣的原理，CAS操作即使沒有鎖，也可以發(fā)現(xiàn)其他線程對(duì)當(dāng)前線程的干擾，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

簡(jiǎn)單地說(shuō)，CAS需要你額外給出一個(gè)期望值，也就是你認(rèn)為這個(gè)變量現(xiàn)在應(yīng)該是什么樣子的。如果變量不是你想象的那樣，那說(shuō)明它已經(jīng)被別人修改過了。你就重新讀取，再次嘗試修改就好了。

在硬件層面，大部分的現(xiàn)代處理器都已經(jīng)支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虛擬機(jī)便可以使用這個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)操作和并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且，這種操作在虛擬機(jī)中可以說(shuō)是無(wú)處不在。

CAS（樂觀鎖算法）的基本假設(shè)前提

CAS比較與交換的偽代碼可以表示為：

do{?備份舊數(shù)據(jù)；?基于舊數(shù)據(jù)構(gòu)造新數(shù)據(jù)；?}while(!CAS( 內(nèi)存地址，備份的舊數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù) ))

圖解：CPU去更新一個(gè)值，但如果想改的值不再是原來(lái)的值，操作就失敗，因?yàn)楹苊黠@，有其它操作先改變了這個(gè)值

graph?LR A[56]?--?No?problem?-->?B(CPU1) A?--?sory?-->?C(CPU2) B?--?,?57\?-->?A C?--?,?56\?-->?A

就是指當(dāng)兩者進(jìn)行比較時(shí)，如果相等，則證明共享數(shù)據(jù)沒有被修改，替換成新值，然后繼續(xù)往下運(yùn)行；如果不相等，說(shuō)明共享數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，放棄已經(jīng)所做的操作，然后重新執(zhí)行剛才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享數(shù)據(jù)不會(huì)被修改的假設(shè)，采用了類似于數(shù)據(jù)庫(kù)的 commit-retry 的模式。當(dāng)同步?jīng)_突出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很少時(shí)，這種假設(shè)能帶來(lái)較大的性能提升。

public?final?int?getAndAddInt(Object?o,?long?offset,?int?delta)?{ ????????int?v; ????????do?{ ????????????v?=?getIntVolatile(o,?offset); ????????}?while?(!compareAndSwapInt(o,?offset,?v,?v?+?delta)); ????????return?v; ????} /**? ?*?Atomically?increments?by?one?the?current?value.? ?*? ?*?@return?the?updated?value? ?*/?? public?final?int?incrementAndGet()?{?? ????for?(;;)?{?? ????????//獲取當(dāng)前值?? ????????int?current?=?get();?? ????????//設(shè)置期望值?? ????????int?next?=?current?+?1;?? ????????//調(diào)用Native方法compareAndSet，執(zhí)行CAS操作?? ????????if?(compareAndSet(current,?next))?? ????????????//成功后才會(huì)返回期望值，否則無(wú)線循環(huán)?? ????????????return?next;?? ????}?? }

CAS缺點(diǎn)

CAS存在一個(gè)很明顯的問題，即ABA問題。

問題：如果變量V初次讀取的時(shí)候是A，并且在準(zhǔn)備賦值的時(shí)候檢查到它仍然是A，那能說(shuō)明它的值沒有被其他線程修改過了嗎？如果在這段期間曾經(jīng)被改成B，然后又改回A，那CAS操作就會(huì)誤認(rèn)為它從來(lái)沒有被修改過。針對(duì)這種情況，java并發(fā)包中提供了一個(gè)帶有標(biāo)記的原子引用類AtomicStampedReference，它可以通過控制變量值的版本來(lái)保證CAS的正確性。

分布式鎖

如果想在不同的jvm中保證數(shù)據(jù)同步，使用分布式鎖技術(shù)。有數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)、緩存實(shí)現(xiàn)、Zookeeper分布式鎖

Java

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