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忽有故人心头过,回首山河已是秋。

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java.util.concurrent

ReentrantLock

java.util.concurrent.locks包提供的 ReentrantLock用于替代 synchronized加锁

public class Counter {
    private int count;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }
}

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count;

    public void add(int n) {
        lock.lock();
        try {
            count += n;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

// 可以尝试去获取锁,尝试获取锁的时候,最多等待1秒。
// 如果1秒后仍未获取到锁,tryLock()返回false,
// 程序就可以做一些额外处理,而不是无限等待下去
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

小结:

ReentrantLock可以替代 synchronized进行同步;

ReentrantLock获取锁更安全;

必须先获取到锁,再进入 try {...}代码块,最后使用 finally保证释放锁;

可以使用 tryLock()尝试获取锁

Condition

使用 synconizedwait() notifyAll() 实现线程之间得唤醒

class TaskQueue {
  Queue<String> queue = new LinkedList<>();

  public synchronized String getTask() throws InterruptedException{
    while (queue.isEmpty()) {
      // 释放this锁:
      this.wait();
      // 重新获取this锁
    }
    return queue.remove();
  }

  public synchronized void addTask(String s) {
    this.queue.add(s);
    this.notifyAll(); // 唤醒在this锁等待的线程
  }
}

可以使用 Codition 配合 ReentrantLock 来代替

class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

使用 Condition时,引用的 Condition对象必须从 Lock实例的 newCondition()返回,这样才能获得一个绑定了 Lock实例的 Condition实例。

Condition提供的 await()signal()signalAll()原理和 synchronized锁对象的 wait()notify()notifyAll()是一致的,并且其行为也是一样的:

  • await()会释放当前锁,进入等待状态;
  • signal()会唤醒某个等待线程;
  • signalAll()会唤醒所有等待线程;
  • 唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。

此外,和 tryLock()类似,await()可以在等待指定时间后,如果还没有被其他线程通过 signal()signalAll()唤醒,可以自己醒来:

if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
    // 被其他线程唤醒
} else {
    // 指定时间内没有被其他线程唤醒
}

小结

Condition可以替代 waitnotify

Condition对象必须从 Lock对象获取

ReadWriteLock
  • 只允许一个线程写入(其他线程既不能写入也不能读取);
  • 没有写入时,多个线程允许同时读(提高性能)。
public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

小结

使用 ReadWriteLock可以提高读取效率:

  • ReadWriteLock只允许一个线程写入;
  • ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取;
  • ReadWriteLock适合读多写少的场景。
StampedLock

如果我们深入分析 ReadWriteLock,会发现它有个潜在的问题: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,即读的过程中不允许写,这是一种悲观的读锁。

要进一步提升并发执行效率,Java 8引入了新的读写锁:StampedLock

StampedLockReadWriteLock相比,改进之处在于:读的过程中也允许获取写锁后写入!这样一来,我们读的数据就可能不一致,所以,需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入,这种读锁是一种乐观锁。

public class Point {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    private double x;
    private double y;

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
        // 注意下面两行代码不是原子操作
        // 假设x,y = (100,200)
        double currentX = x;
        // 此处已读取到x=100,但x,y可能被写线程修改为(300,400)
        double currentY = y;
        // 此处已读取到y,如果没有写入,读取是正确的(100,200)
        // 如果有写入,读取是错误的(100,400)
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
            stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

ReadWriteLock相比,写入的加锁是完全一样的,不同的是读取。注意到首先我们通过 tryOptimisticRead()获取一个乐观读锁,并返回版本号。接着进行读取,读取完成后,我们通过 validate()去验证版本号,如果在读取过程中没有写入,版本号不变,验证成功,我们就可以放心地继续后续操作。如果在读取过程中有写入,版本号会发生变化,验证将失败。在失败的时候,我们再通过获取悲观读锁再次读取。由于写入的概率不高,程序在绝大部分情况下可以通过乐观读锁获取数据,极少数情况下使用悲观读锁获取数据。

可见,StampedLock把读锁细分为乐观读和悲观读,能进一步提升并发效率。但这也是有代价的:一是代码更加复杂,二是 StampedLock是不可重入锁,不能在一个线程中反复获取同一个锁。

StampedLock还提供了更复杂的将悲观读锁升级为写锁的功能,它主要使用在if-then-update的场景:即先读,如果读的数据满足条件,就返回,如果读的数据不满足条件,再尝试写。

小结

StampedLock提供了乐观读锁,可取代 ReadWriteLock以进一步提升并发性能;

StampedLock是不可重入锁。

Concurrent集合

| interface | non-thread-safe | thread-safe |
| :-: | - | - |
| List | ArrayList | CopyOnWriteArrayList |
| Map | HashMap | ConcurrentHashMap |
| Set | HashSet / TreeSet | CopyOnWriteArraySet |
| Queue | ArrayDeque / LinkedList | ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue |
| Deque | ArrayDeque / LinkedList | LinkedBlockingDeque |

java.util.Collections工具类还提供了一个旧的线程安全集合转换器,可以这么用:

Map unsafeMap = new HashMap();
Map threadSafeMap = Collections.synchronizedMap(unsafeMap);

但是它实际上是用一个包装类包装了非线程安全的 Map,然后对所有读写方法都用 synchronized加锁,这样获得的线程安全集合的性能比 java.util.concurrent集合要低很多,所以不推荐使用。

小结

使用 java.util.concurrent包提供的线程安全的并发集合可以大大简化多线程编程:

多线程同时读写并发集合是安全的;

尽量使用Java标准库提供的并发集合,避免自己编写同步代码。


标题:java.util.concurrent
作者:hymn
地址:https://dxyhymn.com/articles/2020/12/04/1607071326971.html