浅谈AQS中的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock与Condition

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-11-26 07:49 138阅读 0赞

## **ReentrantLock** ##

### **概述** ###

Java中主要分为两类锁，一类是synchronized修饰的锁，另外一类就是J.U.C中提供的锁。J.U.C中提供的核心锁就是ReentrantLock。

**ReentrantLock（可重入锁）与synchronized区别：**

**（1）可重入性**  
二者都是同一个线程进入1次，锁的计数器就自增1，需要等到锁的计数器下降为0时，才能释放锁。

**（2）锁的实现**  
synchronized是基于JVM实现的，而ReentrantLock是JDK实现的。

**（3）性能的区别**  
synchronized优化之前性能比ReentrantLock差很多，但是自从synchronized引入了偏向锁，轻量级锁也就是自旋锁后，性能就差不多了。

**（4）功能区别**

*  便利性

synchronized使用起来比较方便，并且由编译器保证加锁和释放锁；ReentrantLock需要手工声明加锁和释放锁，最好是在finally代码块中声明释放锁。

*  锁的灵活度和细粒度

在这点上ReentrantLock会优于synchronized。

**ReentrantLock独有的功能**

*  ReentrantLock可指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。
 *  提供了一个Condition类，可以分组唤醒需要唤醒的线程。而synchronized只能随机唤醒一个线程，或者唤醒全部的线程
 *  提供能够中断等待锁的线程的机制，lock.lockInterruptibly()。ReentrantLock实现是一种自旋锁，通过循环调用CAS操作来实现加锁，性能上比较好是因为避免了使线程进入内核态的阻塞状态。

synchronized能做的事情ReentrantLock都能做，而ReentrantLock有些能做的事情，synchronized不能做。

在性能上，ReentrantLock不会比synchronized差。

**synchronized的优势**

*  不用手动释放锁，JVM自动处理，如果出现异常，JVM也会自动释放锁。
 *  JVM用synchronized进行管理锁定请求和释放时，JVM在生成线程转储时能够锁定信息，这些对调试非常有价值，因为它们能标识死锁或者其他异常行为的来源。而ReentrantLock只是普通的类，JVM不知道具体哪个线程拥有lock对象。
 *  synchronized可以在所有JVM版本中工作，ReentrantLock在某些1.5之前版本的JVM中可能不支持。

**ReentrantLock中的部分方法说明**

*  boolean tryLock():仅在调用时锁定未被另一个线程保持的情况下才获取锁定。
 *  boolean tryLock(long, TimeUnit): 如果锁定在给定的等待时间内没有被另一个线程保持，且当前线程没有被中断，则获取这个锁定。
 *  void lockInterruptibly():如果当前线程没有被中断，就获取锁定；如果被中断，就抛出异常。
 *  boolean isLocked():查询此锁定是否由任意线程保持。
 *  boolean isHeldByCurrentThread(): 查询当前线程是否保持锁定状态。
 *  boolean isFair():判断是否是公平锁。
 *  boolean hasQueuedThread(Thread)：查询指定线程是否在等待获取此锁定。
 *  boolean hasQueuedThreads():查询是否有线程正在等待获取此锁定。
 *  boolean getHoldCount():查询当前线程保持锁定的个数。

### **代码示例** ###

示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.lock; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.concurrent.CountDownLatch; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; @Slf4j public class LockExample { //请求总数 public static int clientTotal = 5000; //同时并发执行的线程数 public static int threadTotal = 200; public static int count = 0; private static final Lock lock = new ReentrantLock(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal); final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal); for(int i = 0; i < clientTotal; i++){ executorService.execute(() -> { try{ semaphore.acquire(); add(); semaphore.release(); }catch (Exception e){ log.error("exception", e); } countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); log.info("count:{}", count); } private static void add(){ lock.lock(); try{ count ++; }finally { lock.unlock(); } } }

## **ReentrantReadWriteLock** ##

### **概述** ###

在没有任何读写锁的时候，才可以取得写锁。如果一直有读锁存在，则无法执行写锁，这就会导致写锁饥饿。

### **代码示例** ###

示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.lock; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.Map; import java.util.Set; import java.util.TreeMap; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; @Slf4j public class LockExample { private final Map<String, Data> map = new TreeMap<>(); private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); private final Lock readLock = lock.readLock(); private final Lock writeLock = lock.writeLock(); public Data get(String key){ readLock.lock(); try{ return map.get(key); }finally { readLock.unlock(); } } public Set<String> getAllKeys(){ readLock.lock(); try{ return map.keySet(); }finally { readLock.unlock(); } } public Data put(String key, Data value){ writeLock.lock(); try{ return map.put(key, value); }finally { writeLock.unlock(); } } class Data{ } }

## **StampedLock** ##

### **概述** ###

控制锁三种模式：写、读、乐观读。

StampedLock的状态由版本和模式两个部分组成，锁获取方法返回的是一个数字作为票据，用相应的锁状态来表示并控制相关的访问，数字0表示没有写锁被授权访问。

在读锁上分为悲观锁和乐观锁，乐观读就是在读操作很多，写操作很少的情况下，可以乐观的认为写入和读取同时发生的几率很小。因此，不悲观的使用完全的读取锁定。程序可以查看读取资料之后，是否遭到写入进行了变更，再采取后续的措施，这样的改进可以大幅度提升程序的吞吐量。

总之，在读线程越来越多的场景下，StampedLock大幅度提升了程序的吞吐量。

StampedLock源码中的案例如下，这里加上了注释。

class Point { private double x, y; private final StampedLock sl = new StampedLock(); void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method long stamp = sl.writeLock(); try { x += deltaX; y += deltaY; } finally { sl.unlockWrite(stamp); } } //下面看看乐观读锁案例 double distanceFromOrigin() { // A read-only method long stamp = sl.tryOptimisticRead(); //获得一个乐观读锁 double currentX = x, currentY = y; //将两个字段读入本地局部变量 if (!sl.validate(stamp)) { //检查发出乐观读锁后同时是否有其他写锁发生？ stamp = sl.readLock(); //如果没有，我们再次获得一个读悲观锁 try { currentX = x; // 将两个字段读入本地局部变量 currentY = y; // 将两个字段读入本地局部变量 } finally { sl.unlockRead(stamp); } } return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY); } //下面是悲观读锁案例 void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade // Could instead start with optimistic, not read mode long stamp = sl.readLock(); try { while (x == 0.0 && y == 0.0) { //循环，检查当前状态是否符合 long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); //将读锁转为写锁 if (ws != 0L) { //这是确认转为写锁是否成功 stamp = ws; //如果成功 替换票据 x = newX; //进行状态改变 y = newY; //进行状态改变 break; } else { //如果不能成功转换为写锁 sl.unlockRead(stamp); //我们显式释放读锁 stamp = sl.writeLock(); //显式直接进行写锁 然后再通过循环再试 } } } finally { sl.unlock(stamp); //释放读锁或写锁 } } }

### **代码示例** ###

示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.lock; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.concurrent.CountDownLatch; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.locks.StampedLock; @Slf4j public class LockExample { //请求总数 public static int clientTotal = 5000; //同时并发执行的线程数 public static int threadTotal = 200; public static int count = 0; private static final StampedLock lock = new StampedLock(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal); final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal); for(int i = 0; i < clientTotal; i++){ executorService.execute(() -> { try{ semaphore.acquire(); add(); semaphore.release(); }catch (Exception e){ log.error("exception", e); } countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); log.info("count:{}", count); } private static void add(){ //加锁时返回一个long类型的票据 long stamp = lock.writeLock(); try{ count ++; }finally { //释放锁的时候带上加锁时返回的票据 lock.unlock(stamp); } } }

**我们可以这样选择使用synchronozed锁还是ReentrantLock锁：**

*  当只有少量竞争者时，synchronized是一个很好的通用锁实现
 *  竞争者不少，但是线程的增长趋势是可预估的，此时，ReentrantLock是一个很好的通用锁实现
 *  synchronized不会引发死锁，其他的锁使用不当可能会引发死锁。

## **Condition** ##

### **概述** ###

Condition是一个多线程间协调通信的工具类，Condition除了实现wait和notify的功能以外，它的好处在于一个lock可以创建多个Condition，可以选择性的通知wait的线程

**特点：**

*  Condition 的前提是Lock，由AQS中newCondition()方法 创建Condition的对象
 *  Condition await方法表示线程从AQS中移除，并释放线程获取的锁，并进入Condition等待队列中等待，等待被signal
 *  Condition signal方法表示唤醒对应Condition等待队列中的线程节点，并加入AQS中，准备去获取锁。

### **代码示例** ###

示例代码如下

package io.binghe.concurrency.example.lock; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; @Slf4j public class LockExample { public static void main(String[] args) { ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(); Condition condition = reentrantLock.newCondition(); new Thread(() -> { try { reentrantLock.lock(); log.info("wait signal"); // 1 condition.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } log.info("get signal"); // 4 reentrantLock.unlock(); }).start(); new Thread(() -> { reentrantLock.lock(); log.info("get lock"); // 2 try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } condition.signalAll(); log.info("send signal ~ "); // 3 reentrantLock.unlock(); }).start(); } }