并发4️⃣管程⑤锁粒度、活跃性、ReentrantLock

1、锁的粒度

若对象的多个方法不会操作同一个变量。

细分锁的粒度，以提高并发性。

1.1、示例

示例：House 有 study 和 sleep 两个方法（互不影响）

  • House 类：执行方法时锁住当前对象。

    public class House {
    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            LogUtils.debug("sleeping...");
            sleepSeconds(2);
            LogUtils.debug("OK");
        }
    }

    public void study() {
        synchronized (this) {
            LogUtils.debug("studying...");
            sleepSeconds(2);
            LogUtils.debug("OK");
        }
    }
}

  • 测试：

    • 开启两个线程，分别调用两个方法。

      House house = new House();

new Thread(() -> house.sleep(), "t1").start();
new Thread(() -> house.study(), "t2").start();

    • t1 执行 sleep() 时会导致 t2 阻塞。

      image-20220416220959821

1.2、优化

做法

  1. 定义两个成员变量，作为锁对象。

  2. 方法中的 synchronized(this) 改为对应的锁对象。

    public class House {
    private final Object sleepRoom = new Object();
    private final Object studyRoom = new Object();

    public void sleep() {
        synchronized (sleepRoom) {...}
    }

    public void study() {
        synchronized (studyRoom) {...}
    }
}

测试

t1 和 t2 同时执行，互不影响。

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1.3、死锁问题

细分锁的粒度可能会导致死锁发生。

示例：对象 obj 有 m1() 和 m2() 两个方法，方法中 synchronized 相应的锁对象。

  • 某一时刻，线程 t1 正在执行 m1()，线程 t2 正在执行 m2()。
  • t1 要调用 m2()，且 t2 要调用 m1()，但锁都未被释放。
  • 两个线程都占用锁并等待对方释放锁，导致程序无法运行。

2、活跃性

OS：活跃性

2.1、死锁（❗）

简单来说，死锁就是多个线程尝试获取对方正占有的资源。

2.1.1、检测方式

  • 先 jps 获得进程 id，再 jstack 定位死锁。
  • jconsole 可视化工具。

2.1.2、示例：筷子问题

有 5 个人围成一桌，每人左右各有 1 支筷子。

  • 执行：需要同时获得左右筷子，才能吃饭。

  • 阻塞：若筷子被身边的人获得，需要等待释放。

  • 死锁：恰好每人拿到 1 根筷子，且都在等旁边的人释放。

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Java 实现

  • Chopstick 类

    class Chopstick {
    private String name;

    public Chopstick() {
    }
}

  • Person 类：继承 Thread 类

    • eat()：打印输出语句，并睡眠 1 秒。

    • run()：循环。先后对 left 和 right 加锁，执行 eat()。

      public class Person extends Thread {
    private Chopstick left, right;

    public Person(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        // 线程名
        setName(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (left) {
                synchronized (right) { eat(); }
            }
        }
    }
    private void eat() {
        LogUtils.debug("eating...");
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
    }
}

测试

  • 代码：5 人 5 筷子。

    Chopstick c1 = new Chopstick();
Chopstick c2 = new Chopstick();
Chopstick c3 = new Chopstick();
Chopstick c4 = new Chopstick();
Chopstick c5 = new Chopstick();

new Person("老大", c1, c2).start();
new Person("二货", c2, c3).start();
new Person("张三", c3, c4).start();
new Person("李四", c4, c5).start();
new Person("王五", c5, c1).start();

  • 结果：程序运行一段时间后不再执行，即死锁。

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2.2、饥饿

  • OS：某个进程一直得不到资源。
  • Java：优先级低的线程一直无法获得 CPU 时间片，但没有结束（仍处于就绪状态）。

2.3、说明

活跃性问题（死锁、活锁、饥饿），都可用 ReentrantLock 来解决。

3、ReentrantLock（❗）

ReentrantLock：可重入锁

3.1、说明

二者使用基本相同，可对比理解。

  • synchronized：底层是 C++ 实现的 Monitor。
  • ReentrantLock：Java 实现。

3.1.1、对比

ReentrantLock 支持中断、超时时间、公平锁、多个条件变量。

synchronized ReentrantLock
含义 对象锁（重量级） 可重入锁
可重入 ✔ ✔
可中断 进入 EntryList 的线程会一直阻塞并尝试获取锁 lockInteruptibly()
可被其它线程中断阻塞状态
超时时间 进入 EntryList 的线程会无限期尝试获取锁，直到成功竞争锁 trywait()
可设置超时时间，超过指定时间后不再尝试获取锁
公平锁 不支持，Owner 唤醒 EntryList 的所有阻塞线程进行竞争 支持，先进入 EntryList 的先成为新的 Owner（FIFO）
条件变量 单个，即 WaitSet await()
支持多个，用于表示不同的等待条件

3.1.2、语法

  • synchronized

    • 步骤：创建锁对象、加锁。

    • 在字节码层面自动加锁和解锁，monitorenter 和 monitorexit。

      Object lock = new Object();

synchronized(lock){
    // 临界区
}

  • ReentrantLock

    • 步骤：创建锁对象、加锁、释放锁。

    • 需要手动调用加锁和解锁方法，lock() 和 unlock()。

    • 需结合 try 代码块，unlock() 放在 finally 块首行。

      ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();

reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    reentrantLock.unlock();
}

3.2、特点

3.2.1、可重入

  • 不可重入：线程 t1 获得对象 obj 的锁，在释放锁之前无法再次获取锁。
  • 可重入：t1 在释放 obj 锁之前可再次获取锁。

测试

对 reentrantLock 对象加锁，且调用另一个会对 reentrantLock 加锁的方法。

  • 代码

    ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();

public void reentry() {
    reentrantLock.lock();
    try {
        LogUtils.debug("调用 reentry()");
        m1();
    } finally { reentrantLock.unlock(); }
}

private void m1() {
    reentrantLock.lock();
    try {
        LogUtils.debug("调用 m1()");
        m2();
    } finally { reentrantLock.unlock(); }
}

private void m2() {
    reentrantLock.lock();
    try {
        LogUtils.debug("调用 m2()");
    } finally { reentrantLock.unlock(); }
}

  • 测试：成功进入 3 个方法。

    image-20220417150857926

3.2.2、可中断

lockInterruptibly()

  • lockInterruptibly() 方法可被中断，因此会抛出 InterruptedException 异常。

  • 其余步骤与 lock() 相同。

    try {
    // 加锁
    reentrantLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 临界区
        LogUtils.debug("得到锁");
    } finally {
        // 释放锁
        reentrantLock.unlock();
        LogUtils.debug("释放锁");
    }
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
    LogUtils.debug("尝试获取锁时被中断");
}

3.2.3、超时时间

尝试获取锁时，超过指定时间则不再尝试获取。

返回值为 boolean

  • tryLock()：不等待。

  • tryLock(long, TimeUnit)：指定时间单位，等待 long 单位时间。

    if (!reentrantLock.tryLock()) {
    LogUtils.debug("超时，不再尝试获取");
}
try {
    LogUtils.debug("得到锁");
} finally {
    reentrantLock.unlock();
}

解决 2.1.2 死锁问题

  • Chopstick 继承 ReentrantLock 类

  • 将 synchronized 改成 ReentrantLock 的相关方法。

    1. 尝试获取 left，失败（返回 false）则进入下一轮循环。

    2. 已获取 left，尝试获取 right

      • 成功：拿到两幅侉子，调用 eat() 吃饭。

      • 失败：执行外层的 finally，释放 left（相当于放下左筷子）。

        public class Person extends Thread {
    // 省略其它

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 尝试获取左筷子
            if (left.tryLock()) {
                try {
                    // 尝试获取右筷子
                    if (right.tryLock()) {
                        try { eat(); }
                        finally { right.unlock(); }
                    }
                } finally {
                    left.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

class Chopstick extends ReentrantLock {}

  • 测试：不会死锁，也不会出现饥饿问题。

    image-20220417160914352

3.2.4、公平锁

ReentrantLock 默认是非公平锁。

在构造方法的参数列表，可设置 true 表示开启公平锁。

  • 空参：nonFair

  • boolean：true 表示开启

    public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

说明

  • 公平锁可解决饥饿问题。
  • 公平锁会降低并发性，使用上不如 trylock()。

3.2.5、条件变量

注：使用方式相同，细节不同。

Object ReentrantLock
使用前提 获得对象锁（synchronized） 获取条件变量（conditionObject）
条件变量个数 一个，即 WaitSet 多个（细分不同条件，）
等待 wait() await()
唤醒 notify() / notifyAll() signal() / signalAll()
posted @ 2022-04-17 14:51  Jaywee  阅读(91)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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