Java鎖：重入鎖，讀寫鎖，樂觀鎖，悲觀鎖，CAS無鎖模式
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 和synchronized 都是 可重入鎖
- 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();
- }
- }
- 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();
- }
- }
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：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<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
- 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 < 10; i++) {
- Cache.put(i + "", i + "");
- }
- }
- }).start();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- for (int i = 0; i < 10; i++) {
- Cache.get(i + "");
- }
- }
- }).start();
- }
- }
悲觀鎖、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
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。
如果同一個(gè)變量要被多個(gè)線程訪問，則可以使用該包中的類
AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference
CAS無鎖模式
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算法理解
(1)與鎖相比，使用比較交換(下文簡(jiǎn)稱CAS)會(huì)使程序看起來更加復(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，使用無鎖的方式完全沒有鎖競(jìng)爭(zhēng)帶來的系統(tǒng)開銷，也沒有線程間頻繁調(diào)度帶來的開銷，因此，它要比基于鎖的方式擁有更優(yōu)越的性能。
(2)無鎖的好處：
第一，在高并發(fā)的情況下，它比有鎖的程序擁有更好的性能;
第二，它天生就是死鎖免疫的。
就憑借這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，就值得我們冒險(xiǎn)嘗試使用無鎖的并發(fā)。
(3)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。
(4)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>
(5)簡(jiǎn)單地說，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。
(6)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)中可以說是無處不在。
常用原子類
Java中的原子操作類大致可以分為4類：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。這些原子類中都是用了無鎖的概念，有的地方直接使用CAS操作的線程安全的類型。
AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference
- 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(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) )
(上圖的解釋：CPU去更新一個(gè)值，但如果想改的值不再是原來的值，操作就失敗，因?yàn)楹苊黠@，有其它操作先改變了這個(gè)值。)
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
