本章路线总纲:无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁。关于锁的大厂面试题如下:
- 你知道Java里面有哪些锁?
- 你说你用过读写锁,锁饥饿问题是什么?
- 有没有比读写锁更快的锁?
- StampedLock知道吗?(邮戳锁/票据锁)
- ReentrantReadWriteLock有锁降级机制策略你知道吗?
ReentrantReadWriteLock
读写锁定义为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。 一体两面,读写互斥,读读共享,刀刃、刀背互斥。
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(切菜还是拍蒜选一个)。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。
关于读写锁的简单代码演示如下:
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);
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);
//暂停几秒钟线程
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---完成读取result: "+result);
}finally {
rwLock.readLock().unlock();
}
}
}
/**
* @auther zzyy
* @create 2021-03-28 11:04
*/
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();
}
for (int i = 1; i <=3; i++) {
int finalI = i;
new Thread(() -> {
myResource.write(finalI +"", finalI +"");
},"马羽成"+String.valueOf(i)).start();
}
}
}
从写锁→读锁,ReentrantReadWriteLock可以降级 在《Java 并发编程的艺术》中关于锁降级的说明如下图所示: 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。
锁降级是为了让当前线程感知到数据的变化,目的是保证数据可见性
code演示锁降级LockDownGradingDemo代码如下:
package com.atguigu.juc.rwlock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* @auther zzyy
* @create 2021-03-28 10:18
* 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
但是不可锁升级,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, 锁升级错误代码演示如下:
package com.atguigu.juc.rwlock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* @auther zzyy
* @create 2021-03-28 10:18
* 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();
//有且只有一个线程main,来验证锁降级策略要求
readLock.lock();
System.out.println("-----read");
//暂停几秒钟线程
try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
writeLock.lock();
System.out.println("-----1111");
writeLock.unlock();
readLock.unlock();
System.out.println("-----2222");
}
}
上述代码会导致线程一直获取不到写锁,导致阻塞。 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。
读写锁之读写规矩,再说降级,Oracle公司ReentrantWriteReadLock源码总结如下图所示:
锁降级 下面的示例代码摘自ReentrantWriteReadLock源码中: 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。
解读在最下面: 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。
面试题:有没有比读写锁更快的锁?答案:邮戳锁StampedLock
邮戳锁StampedLock
锁的演进过程如下:无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁。
StampedLock(邮戳锁也叫做票据锁)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。
StampedLock中通过变量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。
首先来说一下锁饥饿问题,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
如何缓解锁饥饿问题? 使用“公平”策略可以一定程度上缓解这个问题,但是“公平”策略是以牺牲系统吞吐量为代价的。 于是StampedLock类的乐观读锁闪亮登场。
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。
StampedLock的特点
- 所有获取锁的方法,都返回一个邮戳(Stamp),Stamp为零表示获取失败,其余都表示成功;
- 所有释放锁的方法,都需要一个邮戳(Stamp),这个Stamp必须是和成功获取锁时得到的Stamp一致;
- StampedLock是不可重入的,危险(如果一个线程已经持有了写锁,再去获取写锁的话就会造成死锁)
StampedLock有三种访问模式
- 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
乐观读模式code演示如下:
package com.atguigu.itdachang;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
/**
* @auther zzyy
* @create 2020-07-22 16:03
*/
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();
}
}
读的过程中也允许获取写锁介入
StampedLock的缺点
- StampedLock 不支持重入,没有Re开头
- 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。
- StampedLock一定不要调用中断操作,即不要调用interrupt() ,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()
切记:工作当中最好不要用StampedLock,面试的时候用,工作当中还是用ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock就可以了