Loading

多线程锁及其相关策略介绍

多线程笔记（二）

1. Synchronized 和 Lock 的区别

  • synchronized是Java的关键字，是 JVM 层面的内置功能和实现。

    Lock是一个接口，是代码层面的实现

  • synchronized可以隐式的获取，释放锁

    lock是显式的获取，释放锁

  • synchronized在发生异常的时候会自动释放锁

    lock在发生异常的时候，不会自动释放锁，必须要调用unlock方法才会释放锁，否则容易引起死锁

  • Lock可以尝试非阻塞获取锁，可中断获取锁，超时获取锁。

    synchronized并没有这些功能

2. LockSupport

LockSupport是一个编程工具类，主要是为了阻塞线程（park）和唤醒线程（unpark）时使用

设计原理的核心：许可

​ park：挂起当前线程，等待一个许可

​ unpark：为某个线程提供一个许可，唤醒某个指定的线程

park/unpark和wait/notify很类似，但其具有以下的优点

  • park/unpark是以thread为操作对象，语义更加直观
  • 操作更为精准和灵活，可以准确的去唤醒某一个线程

park/unpark和wait/notify的区别

wait/notify和synchronized联系在一起的，wait过后，线程是进入Blocked状态

park方法使当前线程挂起，进入到waiting状态

3. CAS

CAS（Compare And Swap, 比较并替换）中有3个基本的操作数：V：内存地址的值； A：旧的预期的值；B：要修改的新的值

基本实现方式：

使用CAS去更新一个变量的时候，只有变量的旧的预期的值A 和内存地址的值V 相同的时候，才会将V 修改为新的值B。如果修改失败，会自旋等待，直到修改成功。

CAS实现的基石：Unsafe类

CAS想要保证操作时线程安全的，一个实现的关键在于如何保证 比较并替换 是一个原子操作

在Java中，用Unsafe类来实现CAS的原子操作，Unsafe类 ==> JNI(Java本地接口) ==>本地实现的C++库 ==>操作内存空间

CAS在Java中的应用和缺点

应用：

  • Atomic包， Lock包下系列的类

  • 在JDK1.6以后，sychronized升级为重量级锁之前也采用的CAS机制

缺点

  • CAS采用自旋的方式，会浪费CPU的资源

  • 不能保证代码块的原子性，保证的是对一个变量的 比较和替换 的操作是原子的

  • ABA问题：CAS操作内存值，由A改成了B，但是又改回了A，从而导致后续本不应该成功的操作，最后成功执行

​ 自己举个栗子：由于网络延时，线程一线程二都想对内存值A操作，目的就是将内存值A改成B（只修改一次），按理说一个线程操作成功，那另一个线程就要操作失败。线程一和线程二取到的旧的值都是A，假定线程一操作成功，将A改成了B。按理说接下来线程二拿到的内存的值是B，和取到的旧的值A比较，B不等于A，就会提交失败，但是捏，好巧不巧，在线程二修改之前，线程三过来执行它自己的任务，将B改成了A。这个时候线程二拿到的内存值是A，之前取到的旧的值也是A，A等于A，线程二就会对A进行修改。这个时候就对内存值修改了两次，而我们只想让它修改一次，就出错了。可以把内存值想成自己的工资，谁都不想自己的工资被莫名其妙的多改几次把，改多了当我没说，哈哈哈。

ABA的解决方案：给数据加上版本号，每次不仅要比较内存的值，还要比较版本号

4. AQS

AQS是什么？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是构建锁和其他同步组件的基础框架

AQS能干什么？

  • 同步队列的管理和维护
  • 同步状态的光临
  • 线程的阻塞，唤醒的管理

基本设计思路

  • 把竞争的线程和等待状态，封装成为Node对象
  • AQS把这些Node，放到一个同步队列中去，这个同步队列是一个FIFO（先进先出）的一个双向队列，是基于CLH（贡献者名字缩写首字母，不用纠结这个）队列实现的

  • AQS使用int类型的成员变量来表示同步状态，比如：是否有线程获取锁，锁的重入次数等，具体的含义由具体的子类来定义
  • AQS使用LockSupport来实现对线程的唤醒和阻塞，线程的唤醒和阻塞便随着同步队列的维护。

AQS如何把基础功能提供出去？

AQS使用模板方法模式，大概的意思是规定了整体的流程，自己可以具体实现子流程，整体的流程是不能变的。后续把设计模式学了再做补充

非阻塞的获取独占锁的流程

自己画的简化版流程，没有涉及到里面的中断

AQS中获取和释放独占锁和共享锁区别

独占锁：正常情况下，只有持有锁的线程运行结束了，释放锁了，该节点才会出队。

共享锁：当前节点唤醒了下一个节点并且将下一个节点设置尾Head之后，该节点出队。

独占锁：只有在释放锁的时候，才会去看看要不要唤醒下一个节点。

共享锁：在获取锁的过程中会在两个地方看看要不要去唤醒下一个节点。一个是在获取锁的流程中调用setHeadAndPropagate()方法的时候，一个是在释放锁的时候。

5. ReentrantLock

ReentrantLock是Lock接口的实现，主要实现了可重入的独占锁的功能，与synchronized关键字功能类型

ReentrantLock与synchronized对比

ReentrantLock功能更加强大和灵活

  • 可非中断的获取锁
  • 可中断式的获取锁
  • 可超时获取锁
  • 提供了公平锁和非公平锁

公平锁和非公平锁的却别主要体现在获取锁的方式上

公平锁：多个线程按照申请获取锁的先后顺序来获取锁

非公平锁：多个线程按照不是按照申请获取锁的先后顺序来获取锁。比如抢占式获取锁。高并发的情况可能会造成饥饿现象

在ReentrantLock的源码中，公平锁主要是通过判断当前的AQS队列是否有节点来控制当前节点是否获得锁。队列中如果有节点那么tryAcquire()方法直接返回false表示获取锁失败，再将节点其排到队列末尾。

ReentrantReadWriteLock

在实际的业务中，往往读数据比写数据更加频繁，如果我们对读数据使用共享锁，对写数据使用独占锁，那么整个读写的性能就会提高。

读锁：用在读取临界资源的地方

写锁：用在更新临界资源的地方

读锁和写锁的互斥规则：

  • 一个线程读，另一个线程读：共享
  • 一个线程读，另一个线程写：互斥
  • 一个线程写，另一个线程读：互斥
  • 一个线程写，另一个线程写：互斥

ReadWriteLock是一个接口，该接口中只有两个方法，分别为Lock readLock();和Lock writeLock();

ReentrantReadWriteLock：可重入式读写锁，是读写锁（ReadWriteLock）的实现类。

  • 支持读锁和写锁
  • 支持公平锁和非公平锁
  • 支持可重入锁
  • 支持锁降级（如果一个线程持有写锁，在不释放写锁的情况下，它还可以继续持有读锁，这种情况就是锁降级）

读写锁的状态存储机制

AQS里的state是一个int值。在读写锁中，需要同时保存两种锁的状态。其同样使用int类型的变量表示state，总共32位，前16位表示读锁的同步状态，后面16位表示写锁的同步状态。获取读锁状态就将state无符号右移16位。获取写锁状态就将state与掩码相与，保留后16位。

6. StampedLock类

ReentrantReadWriteLock中存在着一些问题，写线程可能会出现“饥饿”问题；如果有线程在读，那么写线程是无法获取写锁的。

优点：

在Java8中引入了StampedLock，其对ReentrantReadWriteLock进行了增强，优化了读锁和写锁的访问，使读写锁之间可以相互转换，因此可以更细粒度地控制并发。

缺点：

其设计初衷使作为一个内部工具类来使用，用于辅助开发其他的线程安全组件。用不好的花会产生死锁，产生莫名其妙的问题。不支持可重入也是一个问题。

特点：

  • 所有获取锁的方法，都会返回一个stamp
  • 所有释放锁的方法，都需要一个stamp
  • 是不可重入的
  • 有三种访问方式，分别为读模式，写模式，乐观读模式
  • 支持读锁和写锁的相互转换
  • 不支持Condition

7. Condition

该接口对原生的wait, notify/notifyAll这些方法进行增强，从Java语言层面，实现类似的功能。

AQS是使用同步队列来控制节点获取锁，在Condition中使用条件队列来控制节点什么时候await()，什么时候signal()。与多个节点共用一个同步队列不同的是，一个Conditon对象就对应一个条件队列。

总体流程为，调用await()时，将节点加入等待队列，然后将线程挂起，等待其他线程对其调用signal()方法。其他线程对其调用signal()方法后，将该节点从条件队列中出队，将其添加到同步队列的末尾，然后将其唤醒。然后就走同步队列的那一套流程。

8. ThreadLocal

ThreadLocal是用来存放线程自身相关数据的一个容器。提供线程本地变量，访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个副本。线程操作数据的时候就会操作线程本地的数据，从而避免了线程安全性问题。

threadLocals其实是一个ThreadLocalMap类型的，在Thread类中的一个属性，伴随的线程的存在而存在。当我们设置ThreadLocal变量的时候，ThreadLocalMap中的key就是ThreadLocal，value就是ThreadLocal变量的值。

  • 由于threadLocals是Thread的一个属性，会跟着线程一直存在，为了避免内存溢出，在确定ThreadLocal数据以后不再使用后，要及时remove掉。

  • 由于ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部关联的强引用，在垃圾回收的时候，JVM会回收掉ThreadLocal，就会出现ThreadLocalMap中key为空，但是value值还在。造成内存泄漏，所以在确定ThreadLocal数据以后不再使用后，要及时remove掉。

posted @ 2022-05-10 15:50  KeepGoing4everZxz  阅读(101)  评论(0)  编辑  收藏  举报