无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁
读写锁定义:
一个资源能够被多个读线程访问,或者被一个写线程访问,但是不能同时存在读写线程。
意义和特点:
读写锁ReentrantReadWriteLock并不是真正意义上的读写分离,它只允许读读共存,而读写和写写依然是互斥的,
大多实际场景是“读/读”线程间并不存在互斥关系,只有"读/写"线程或"写/写"线程间的操作需要互斥的。因此引入ReentrantReadWriteLock。
一个ReentrantReadWriteLock同时只能存在一个写锁但是可以存在多个读锁,但不能同时存在写锁和读锁。
也即 一个资源可以被多个读操作访问或一个写操作访问,但两者不能同时进行。
只有在读多写少情境之下,读写锁才具有较高的性能体现。
无锁无序→加锁→读写锁演变
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
class MyResource
{
Map<String,String> map = new HashMap<>();
//=====ReentrantLock 等价于 =====synchronized
Lock lock = new ReentrantLock();
//=====ReentrantReadWriteLock 一体两面,读写互斥,读读共享
ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
public void write(String key,String value)
{
rwLock.writeLock().lock();
try
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---正在写入");
map.put(key,value);
//暂停毫秒
try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---完成写入");
}finally {
rwLock.writeLock().unlock();
}
}
public void read(String key)
{
rwLock.readLock().lock();
try
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---正在读取");
String result = map.get(key);
//后续开启注释修改为2000,演示一体两面,读写互斥,读读共享,读没有完成时候写锁无法获得
//try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---完成读取result:"+result);
}finally {
rwLock.readLock().unlock();
}
}
}
public class ReentrantReadWriteLockDemo
{
public static void main(String[] args)
{
MyResource myResource = new MyResource();
for (int i = 1; i <=10; i++) {
int finalI = i;
new Thread(() -> {
myResource.write(finalI +"", finalI +"");
},String.valueOf(i)).start();
}
for (int i = 1; i <=10; i++) {
int finalI = i;
new Thread(() -> {
myResource.read(finalI +"");
},String.valueOf(i)).start();
}
//暂停几秒钟线程
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
//读全部over才可以继续写
for (int i = 1; i <=3; i++) {
int finalI = i;
new Thread(() -> {
myResource.write(finalI +"", finalI +"");
},"newWriteThread==="+String.valueOf(i)).start();
}
}
}
锁的严苛程度变强叫做升级,反之叫做降级
锁降级:将写入锁降级为读锁(类似Linux文件读写权限理解,就像写权限要高于读权限一样)
锁降级:遵循获取写锁→再获取读锁→再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁。
如果一个线程占有了写锁,在不释放写锁的情况下,它还能占有读锁,即写锁降级为读锁。
重入还允许通过获取写入锁定,然后读取锁然后释放写锁从写锁到读取锁,
但是,从读锁定升级到写锁是不可能的。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* 锁降级:遵循获取写锁→再获取读锁→再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁。
*
* 如果一个线程占有了写锁,在不释放写锁的情况下,它还能占有读锁,即写锁降级为读锁。
*/
public class LockDownGradingDemo
{
public static void main(String[] args)
{
ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
writeLock.lock();
System.out.println("-------正在写入");
readLock.lock();
System.out.println("-------正在读取");
writeLock.unlock();
}
}
如果有线程在读,那么写线程是无法获取写锁的,是悲观锁的策略
线程获取读锁是不能直接升级为写入锁的。
在ReentrantReadWriteLock中,当读锁被使用时,如果有线程尝试获取写锁,该写线程会被阻塞。
所以,需要释放所有读锁,才可获取写锁,
写锁和读锁是互斥的(这里的互斥是指线程间的互斥,
当前线程可以获取到写锁又获取到读锁,但是获取到了读锁不能继续获取写锁),这是因为读写锁要保持写操作的可见性 。
因为,如果允许读锁在被获取的情况下对写锁的获取,那么正在运行的其他读线程无法感知到当前写线程的操作。
因此,
分析读写锁ReentrantReadWriteLock,会发现它有个潜在的问题:
读锁全完,写锁有望;写锁独占,读写全堵;
如果有线程正在读,写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁,见前面Case《code演示LockDownGradingDemo》
即ReadWriteLock读的过程中不允许写,只有等待线程都释放了读锁,当前线程才能获取 写锁,
也就是写入必须等待,这是一种悲观的读锁,o(╥﹏╥)o,人家还在读着那,你先别去写,省的数据乱。
分析StampedLock,会发现它改进之处在于:
读的过程中也允许获取写锁介入(相当牛B,读和写两个操作也让你“共享”(注意引号)),这样会导致我们读的数据就可能不一致!
所以,需要额外的方法来判断读的过程中是否有写入,这是一种乐观的读锁,O(∩_∩)O哈哈~。
显然乐观锁的并发效率更高,但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致,需要能检测出来,再读一遍就行。
锁降级
ReentrantWriteReadLock支持锁降级,遵循按照获取写锁,获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁,不支持锁升级。
1 代码中声明了一个volatile类型的cacheValid变量,保证其可见性。
2 首先获取读锁,如果cache不可用,则释放读锁,获取写锁,在更改数据之前,再检查一次cacheValid的值,然后修改数据,将cacheValid置为true,然后在释放写锁前获取读锁;此时,cache中数据可用,处理cache中数据,最后释放读锁。这个过程就是一个完整的锁降级的过程,目的是保证数据可见性。
如果违背锁降级的步骤
如果当前的线程C在修改完cache中的数据后,没有获取读锁而是直接释放了写锁,那么假设此时另一个线程D获取了写锁并修改了数据,那么C线程无法感知到数据已被修改,则数据出现错误。
如果遵循锁降级的步骤
线程C在释放写锁之前获取读锁,那么线程D在获取写锁时将被阻塞,直到线程C完成数据处理过程,释放读锁。这样可以保证返回的数据是这次更新的数据,该机制是专门为了缓存设计的。
无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁
StampedLock是JDK1.8中新增的一个读写锁,也是对JDK1.5中的读写锁ReentrantReadWriteLock的优化。
邮戳锁也叫票据锁。
stamp(戳记,long类型):代表了锁的状态。当stamp返回零时,表示线程获取锁失败。并且,当释放锁或者转换锁的时候,都要传入最初获取的stamp值。
它是由锁饥饿问题引出的。
锁饥饿问题:
ReentrantReadWriteLock实现了读写分离,但是一旦读操作比较多的时候,想要获取写锁就变得比较困难了,
假如当前1000个线程,999个读,1个写,有可能999个读取线程长时间抢到了锁,那1个写线程就悲剧了
因为当前有可能会一直存在读锁,而无法获得写锁,根本没机会写,o(╥﹏╥)o
使用“公平”策略可以一定程度上缓解这个问题,例如:new ReentrantReadWriteLock(true);
但是“公平”策略是以牺牲系统吞吐量为代价的
ReentrantReadWriteLock
允许多个线程同时读,但是只允许一个线程写,在线程获取到写锁的时候,其他写操作和读操作都会处于阻塞状态,
读锁和写锁也是互斥的,所以在读的时候是不允许写的,读写锁比传统的synchronized速度要快很多,
原因就是在于 ReentrantReadWriteLock支持读并发
StampedLock横空出世
ReentrantReadWriteLock的读锁被占用的时候,其他线程尝试获取写锁的时候会被阻塞。
但是,StampedLock采取乐观获取锁后,其他线程尝试获取写锁时 不会被阻塞,这其实是对读锁的优化,
所以,在获取乐观读锁后,还需要对结果进行校验。
①Reading(读模式):功能和ReentrantReadWriteLock的读锁类似
②Writing(写模式):功能和ReentrantReadWriteLock的写锁类似
③Optimistic reading(乐观读模式):无锁机制,类似于数据库中的乐观锁,
支持读写并发,很乐观认为读取时没人修改,假如被修改再实现升级为悲观读模式
读的过程中也允许获取写锁介入
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class StampedLockDemo
{
static int number = 37;
static StampedLock stampedLock = new StampedLock();
public void write()
{
long stamp = stampedLock.writeLock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"=====写线程准备修改");
try
{
number = number + 13;
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
stampedLock.unlockWrite(stamp);
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"=====写线程结束修改");
}
//悲观读
public void read()
{
long stamp = stampedLock.readLock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t come in readlock block,4 seconds continue...");
//暂停几秒钟线程
for (int i = 0; i <4 ; i++) {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 正在读取中......");
}
try
{
int result = number;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+" 获得成员变量值result:" + result);
System.out.println("写线程没有修改值,因为 stampedLock.readLock()读的时候,不可以写,读写互斥");
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
stampedLock.unlockRead(stamp);
}
}
//乐观读
public void tryOptimisticRead()
{
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
int result = number;
//间隔4秒钟,我们很乐观的认为没有其他线程修改过number值,实际靠判断。
System.out.println("4秒前stampedLock.validate值(true无修改,false有修改)"+"\t"+stampedLock.validate(stamp));
for (int i = 1; i <=4 ; i++) {
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 正在读取中......"+i+
"秒后stampedLock.validate值(true无修改,false有修改)"+"\t"
+stampedLock.validate(stamp));
}
if(!stampedLock.validate(stamp)) {
System.out.println("有人动过--------存在写操作!");
stamp = stampedLock.readLock();
try {
System.out.println("从乐观读 升级为 悲观读");
result = number;
System.out.println("重新悲观读锁通过获取到的成员变量值result:" + result);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
stampedLock.unlockRead(stamp);
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t finally value: "+result);
}
public static void main(String[] args)
{
StampedLockDemo resource = new StampedLockDemo();
new Thread(() -> {
resource.read();
//resource.tryOptimisticRead();
},"readThread").start();
// 2秒钟时乐观读失败,6秒钟乐观读取成功resource.tryOptimisticRead();,修改切换演示
//try { TimeUnit.SECONDS.sleep(6); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
new Thread(() -> {
resource.write();
},"writeThread").start();
}
}
1)StampedLock 不支持重入,没有Re开头
2)StampedLock 的悲观读锁和写锁都不支持条件变量(Condition),这个也需要注意。
3)使用 StampedLock一定不要调用中断操作,即不要调用interrupt() 方法。如果需要支持中断功能,一定使用可中断的悲观读锁 readLockInterruptibly()和写锁writeLockInterruptibly()
1. 悲观锁
2. 乐观锁
3. 自旋锁
4. 可重入锁(递归锁)
5. 写锁(独占锁)/读锁(共享锁)
6. 公平锁/非公平锁
7. 死锁
8. 偏向锁
9. 轻量锁
10. 重量锁
11. 邮戳(票据)锁
```java
作用于实例方法,当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁;
作用于代码块,对括号里配置的对象加锁。
作用于静态方法,当前类加锁,进去同步代码前要获得当前类对象的锁;
```
无锁→偏向锁→轻量锁→重量锁
Java对象内存布局和对象头
原理:比较并交换
//unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
JDK提供的CAS机制,在汇编层级,会禁止变量两侧的指令优化,然后使用cmpxchg指令比较并更新变量值
ABA问题
问题:
线程X准备将变量的值从A改为B,然而这期间线程Y将变量的值从A改为C,然后再改为A;最后线程X检测变量值是A,并置换为B。
但实际上,A已经不再是原来的A了解决方法,是把变量定为唯一类型。值可以加上版本号,或者时间戳。
解决:
如加上版本号,线程Y的修改变为A1->B2->A3,此时线程X再更新则可以判断出A1不等于A3
特性:可见性,禁重排
如何实现的:内存屏障
LockSupport是基于Unsafe类,由JDK提供的线程操作工具类,主要作用就是挂起线程,唤醒线程。
LockSupport.park
LockSupport.unpark
LockSupport.park和Object.wait区别
线程在Object.wait之后必须等到Object.notify才能唤醒
LockSupport可以先unpark线程,等线程执行LockSupport.park是不会挂起的,可以继续执行
volatile+cas机制实现的锁模板,保证了代码的同步性和可见性,而AQS封装了线程阻塞等待挂起,解锁唤醒其他线程的逻辑。AQS子类只需根据状态变量,判断是否可获取锁,是否释放锁,使用LockSupport挂起、唤醒线程即可
//AbstractQueuedSynchronizer.java
public class AbstractQueuedSynchronizer{
//线程节点
static final class Node {
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
...
}
//head 等待队列头尾节点
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state; // The synchronization state. 同步状态
...
//提供CAS操作,状态具体的修改由子类实现
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return STATE.compareAndSet(this, expect, update);
}
}
出队入队Node
AQS内部维护一个同步队列,元素就是包装了线程的Node。
同步队列中首节点是获取到锁的节点,它在释放锁的时会唤醒后继节点,后继节点获取到锁的时候,会把自己设为首节点。
线程会先尝试获取锁,失败则封装成Node,CAS加入同步队列的尾部。在加入同步队列的尾部时,会判断前驱节点是否是head结点,并尝试加锁(可能前驱节点刚好释放锁),否则线程进入阻塞等待。
当使用ThreadLocal声明变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,
每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本