Java中常用的锁分析总结

Posted 2023-02-26 花姓-老花

Java中常用的锁分析总结

1.    ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock及Sychronized简介

(a)  类继承结构

ReentrantLock类继承结构：

ReentrantReadWriteLick类继承结构：

简述：通过类的继承结构可以看出ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock是拥有者两个不同类继承结构的体系，两者并无关联。

Ps：Sychronized是一个关键字

(b) 几个相关概念

什么是可重入锁：可重入锁的概念是自己可以再次获取自己的内部锁。举个例子，比如一条线程获得了某个对象的锁，此时这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的（如果不可重入的锁的话，此刻会造成死锁）。说的更高深一点可重入锁是一种递归无阻塞的同步机制。

什么叫读写锁：读写锁拆成读锁和写锁来理解。读锁可以共享，多个线程可以同时拥有读锁，但是写锁却只能只有一个线程拥有，而且获取写锁的时候其他线程都已经释放了读锁，而且该线程获取写锁之后，其他线程不能再获取读锁。简单的说就是写锁是排他锁，读锁是共享锁。

获取锁涉及到的两个概念即 公平和非公平：公平表示线程获取锁的顺序是按照线程加锁的顺序来分配的，即先来先得的FIFO顺序。而非公平就是一种获取锁的抢占机制，和公平相对就是先来不一定先得，这个方式可能造成某些线程饥饿（一直拿不到锁）。

(c)  ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，Sychronized用法即作用

ReentrantLock： 类ReentrantLock实现了Lock，它拥有与Sychronized相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断等候的一些特性。此外，它还提供了在与激烈争用情况下更佳的性能（说白了就是ReentrantLock和Sychronized差不多，线程间都是完全互斥的，一个时刻只能有一个线程获取到锁，执行被锁住的代码，但ReentrantLock相对于Sychronized提供了更加丰富的功能并且在线程调度上做了优化，JVM调度使用ReentrantLock的线程会更快）

 

代码示例：ReentrantLockTest.java

/**

 * ReentrantLock DEMO

 * @author jianying.wcj

 * @date 2013-5-20

 */

public class ReetrantLockTest 

       /**

        * 一个可重入锁成员变量

        */

       private ReentrantLocklock =new ReentrantLock();

       public static void main(String[] args)

              ReetrantLockTestdalt = new ReetrantLockTest();

           dalt.testLock();

      

       public void testLock()

              for(int i = 0; i < 5; i++)

                     Threadthread = new Thread(new Runnable()

                                          @Override

                                          publicvoid run()

                                                 sayHello();

                                         

                                   ,"thread"+i);

                     thread.start();

             

      

       public void sayHello()

              /**

               * 当一条线程不释放锁的时候，第二个线程走到这里的时候就阻塞掉了

               */

              try 

              lock.lock();

                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" locking ...");

                     System.out.println("Hello world!");

                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" unlocking ...");

              finally 

                  lock.unlock();

          

   

   执行结果：

  

简述：首先要操作ReentrantLock的加锁（lock）和解锁（unlock）必须是针对同一个ReentrantLock对象，要是new 两个ReetrantLock来分别完成对同一资源的加锁和解锁是没有意义的。比如LockA对象对 resource 加锁，让后LockB对象对Resource解锁，这个是不对的，没有意义的）。通过执行结果可以看出，当一个线程去lock资源的时候，必须是上一个线程对资源完成了unlock，这个和syncronized关键字启动的作用是一样的。 另外在使用时一个需要格外主意的点是 unlock方法的调用要放在finally代码块里，来保证锁一定会释放，否则可能造成某一个资源一直被锁死，排查问题比较困难。

ReentrantReadWriteLock：类ReentrantReadWriteLock实现了ReadWirteLock接口。它和ReentrantLock是不同的两套实现，在类继承结构上并无关联。和ReentrantLock定义的互斥锁不同的是，ReentrantReadWriteLock定义了两把锁即读锁和写锁。读锁可以共享，即同一个资源可以让多个线程获取读锁。这个和ReentrantLock（或者sychronized）相比大大提高了读的性能。在需要对资源进行写入的时候在会加写锁达到互斥的目的。话不多说看DEMO：

ReentrantReadWriteLock.java:

public class ReadWriteLockTest

       /**

        * 一个可重入读写锁

        */

       private ReentrantReadWriteLockreadWriteLock =new ReentrantReadWriteLock();

       /**

        * 读锁

        */

       private ReadLockreadLock =readWriteLock.readLock();

       /**

        * 写锁

        */

       private WriteLockwriteLock =readWriteLock.writeLock();

       /**

        * 共享资源

        */

       private StringshareData ="寂寞等待中...";

      

       public void write(String str) throws InterruptedException

             

        writeLock.lock();

              System.err.println("ThreadName:"+Thread.currentThread().getName()+"locking...");

              try 

                     shareData = str;

                     System.err.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName()+"修改为"+str);

                     Thread.sleep(1);

              catch(InterruptedException e)

                     e.printStackTrace();

              finally 

                     System.err.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName()+"  unlock...");

                     writeLock.unlock();

             

      

      

       public String read()

             

              readLock.lock();

              System.out.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName()+"lock...");

              try 

                     System.out.println("ThreadName:"+Thread.currentThread().getName()+"获取为："+shareData);

                     Thread.sleep(1);

              catch(InterruptedException e)

                     e.printStackTrace();

              finally 

                     System.out.println("ThreadName:" + Thread.currentThread().getName()+"unlock...");

                     readLock.unlock();

             

              returnshareData;

      

      

       public static void main(String[] args)

              final ReadWriteLockTest shareData =new ReadWriteLockTest();

              /**

               * 起50条读线程

               */

              for(int i = 0; i < 50; i++)

                     new Thread(new Runnable()

                            publicvoid run()

                                          try 

                                                 Thread.sleep(1);

                                          catch (InterruptedException e)

                                                 e.printStackTrace();

                                         

                                          shareData.read();

                                  

                     ,"get Thread-read"+i).start();

             

             

              for(int i = 0; i < 5; i++)

                     new Thread(new Runnable()

                            publicvoid run()

                                   try 

                                          Thread.sleep(1);

                                   catch (InterruptedException e1)

                                          e1.printStackTrace();

                                  

                                   try 

                                          shareData.write(new Random().nextLong()+"");

                                   catch (InterruptedException e)

                                          e.printStackTrace();

                                  

                           

                     ,"wirte Thread-write"+i).start();

             

      

运行结果：

简述：Demo读锁和写锁都是ReentrantReadWriteLock类定义的内部公开类，要想让读锁和读锁或者读锁跟写锁产生共享或者互斥关系，必须要求读锁和写锁是有同一个ReentrantReadWriteLock产生的，否则是没有意义的。从运行结果中可以看出读锁之间的共享，写锁和写锁，写锁和读锁之间的互斥关系。

Synchronized关键字：

public class SychronizedTest implements Runnable

 

    public void run()  

          synchronized(this)  

               for (int i = 0; i < 5; i++)  

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"synchronized loop " + i); 

                

         

    

    public static void main(String[] args)  

            SychronizedTest t1 = new SychronizedTest(); 

          Thread ta = new Thread(t1,"A"); 

          Thread tb = new Thread(t1,"B"); 

          ta.start(); 

          tb.start(); 

    

运行结果：

·

简述：从运行记过来看，被sychronized包围的代码是原子的。这个不多说，这个关键字大家应该都很熟悉。

2.    ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock及Sychronized实现原理（源码级别）

（a）  锁机制的内部实现

ReentrantLock内部锁机制实现相关类图：

简述：ReentrantLock锁机制的实现是基于它的一个成员变量sync，这个Sync是AbstractQueuedSynchronized(AQS)的一个子类（ps：sync类是ReentrantLock自己定义的一个内部类）。另外在ReentrantLock内部还定义了另外两个类，分别是FairSync和NonFairSync，这两个类就是分别对应的锁公平分配和不公平分配的两个实现，它们都继承自Sync（类图已经清晰的描述出来了继承结构）。有关锁的分配和释放逻辑都是封装在了AQS里面的（AQS是AbstractQueuedSynchronized的简称，是JSR166规范中提出的一个基础的同步中心类或者说是同步框架，其在内部实现了大量的同步操作，而且用户还可以在此类的基础上自定义自己的同步类），可见Sync和AQS是锁机制实现的核心类（AQS详述见下文）。

ReentrantLock当中的部分实例代码：

1.     两个构造函数（可见默认使用的非公平锁的分配机制）：

2.     Lock方法的实现其实就是直接代理了Sync lock的实现：

3.     TryLock方法也是一样的，都是代理自Sync

4.     解锁方法

Ps：说白了ReentrantLock就是基于Sync的，而Sync就是一种AQS，其中核心机制AQS都实现好了。

               ReentrantReadWriteLock内部实现机制实现类图：

          ReentrantReadWriteLock的类图和ReentrantLock的类图感觉是一摸一样的，唯一的区别就是Sync、FairSync、NonSync是ReentrantReadWriteLock自己定义的。因为ReentrantReadWriteLock要实现读写锁机制，所以这里的Sync和ReentrantLock的Sync肯定不会相同。其他的和ReentrantLock都是一样的，核心的实现都是基于AQS的子类Sync（AQS分析见下文）

              部分示例代码如下：

      1.构造函数(内部定义了ReadLock和WriteLock，默认也采用锁非公平分配的实现)

        2. WriteLock当中的Lock方法：

   Ps：上文简单的贴了两行代码主要为了说明一点，ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的实现是基于AQS的。下文再从源码角度分析一下具体实现。

       Synchronized关键字：

       简述：Synchronized实现的同步和上面提到的AQS的方式是不同的，AQS实现了一套自己的算法来实现共享资源的合理控制（具体算法实现，下文分析），而Synchronized实现的同步控制是基于java 内部的对象锁的。

       Java内部对象锁：JVM中每个对象和类实际上都与一把锁与之相关联，对于对象来说，监视的是这个对象变量，对于类来说，监视的是类变量。当虚拟机装载类时，会创建一个Class类的实例，锁住的实际上是这个类对应的Class累的实例。对象锁是可重入的，也就是说一个对象或者类上的锁是可以累加的。

       Ps：java中的同步是通过监视器模型来实现的，Java中的监视器实际上是一个代码块.

      

Synchronized实现分析：这么说还是有点抽象，那么从代码角度来分析一下Synchronized是怎么实现的。

(a)   先看看Synchronized代码快的方式：

SynchronizedTest1.java:

package test9;

/**

 * @author jianying.wcj

 * @date 2013-5-22

 */

public classSynchronizedTest1

 

    public void sayHello()

       synchronized(this)

           System.out.println("hello world!");

      

   

先用javac编译成.class 然后再用javap–verbose SynchronizedTest1 查看自己码的汇编码如下图所示：

简述：红色标记出来的是两条JVM命令，用来标识进入同步代码块，和退出同步代码块，由此可见Synchronized已经上升到JVM指令的级别和AQS的实现还是有很大差别的。上面这个是Synchronized代码块的形式，Synchronized还有另一种使用方式就是同步方法。

（b）  Synchronized同步方法的方式：

SynchronizedTest2.java:

package test9;

/**

 * @author jianying.wcj

 * @date 2013-5-22

 */

public class SychronizedTest

 

  public synchronized void sayHello()

     System.out.println("hello world!");

 

同样通过javap命令查看汇编码如下：

简述：通过看这段汇编码，并没有发现JVM的同步块指令，可见同步方法和代码同步块采用的是不同的实现方式。同步方法的实现是JVM定义了方法的访问标志 ACC_SYNCHRONIZED 在方法表中，JVM后将同步方法前面设置这个标志，用于标识这个是一个同步方法。

3.    Sync及AQS的核心实现（源码级别）

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源的设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

那么首先看一下CLH队列锁的数据结构及实现算法。

（a）CLH队列的数据结构（如图）：

简述：CLH队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配的。具体构建队列的算法是这样的：

假设: 有共享资源S目前正被L3线程占用，此时有L1、L2线程分别对资源S进行lock操作以及获取锁后进行unlock操作。具体的流程如下：

（1）由于目前资源S被占用，所以将线程L1包装成一个CLH队列的Node，将这个Node的前驱（prev）指向当前对列里的队尾，放入队尾这个操作采用了CAS原语（原子操作）。如果当前的队尾为NULL，那么就建一个虚拟的Header，然后将T1线程挂载到虚拟Header下。核心代码如下：

Ps:  addWaiter就是放入队列的操作。

 

Ps：采用CAS将节点加入到队尾，如果队尾为null进入enq操作。

Ps：创建了一个虚拟的Header

（2） L2线程请求资源S，那么它和L1线程一样将自己加入到队尾，L2的prev指向L1，L1.next指向L2（双向队列嘛）。

（3） 当L3释放资源即unlock的时候，唤醒与L3关联的下一个节点,同时释放当前节点。关键代码：

               

 (b)每个结点类的属性及方法信息：

属性简述：CANCELLED：表示因为超时或者中断，结点被设置为取消状态，被取消的状态结点不应该去竞争锁。SIGNAL:表示这个结点的继任结点被阻塞了，因为等待某个条件而被阻塞。CONDITION:表示这个结点在队列中，因为等待某个条件而被阻塞。这几个是常量属性默认值为：

这几个常量用来设置waitStatus属性。

Thread属性表示关联到这个结点的线程。Prev和next就是关联前后结点的索引变量。NextWaiter 记录的是这个结点是独占式还是可共享的属性。

 

4.    几种锁的性能比较及使用场景（应用级别）

对于性能的对比这篇博客介绍的比较好：

http://blog.csdn.net/lantian0802/article/details/8948696