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Java多線程:“JUC鎖”01之框架

編輯:關於JAVA

根據鎖的添加到Java中的時間,Java中的鎖,可以分為"同步鎖"和 "JUC包中的鎖"。

同步鎖

即通過synchronized關鍵字來進行同步,實現對競爭資源的互斥訪問的鎖。Java 1.0版本中就已經支 持同步鎖了。

同步鎖的原理是,對於每一個對象,有且僅有一個同步鎖;不同的線程能共同訪問該同步鎖。但是, 在同一個時間點,該同步鎖能且只能被一個線程獲取到。這樣,獲取到同步鎖的線程就能進行CPU調度, 從而在CPU上執行;而沒有獲取到同步鎖的線程,必須進行等待,直到獲取到同步鎖之後才能繼續運行。 這就是,多線程通過同步鎖進行同步的原理!

關於"同步鎖"的更多內容,請參考"Java鎖的基礎部分"的內容。

JUC包中的鎖

相比同步鎖,JUC包中的鎖的功能更加強大,它為鎖提供了一個框架,該框架允許更靈活地使用鎖,只 是它的用法更難罷了。

JUC包中的鎖,包括:Lock接口,ReadWriteLock接口,LockSupport阻塞原語,Condition條件, AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer三個抽 象類,ReentrantLock獨占鎖,ReentrantReadWriteLock讀寫鎖。由於CountDownLatch,CyclicBarrier和 Semaphore也是通過AQS來實現的;因此,我也將它們歸納到鎖的框架中進行介紹。

先看看鎖的框架圖,如下所示。

01. Lock接口

JUC包中的 Lock 接口支持那些語義不同(重入、公平等)的鎖規則。所謂語義不同,是指鎖可是有 "公平機制的鎖"、"非公平機制的鎖"、"可重入的鎖"等等。"公平 機制"是指"不同線程獲取鎖的機制是公平的",而"非公平機制"則是指" 不同線程獲取鎖的機制是非公平的","可重入的鎖"是指同一個鎖能夠被一個線程多次獲 取。

02. ReadWriteLock

ReadWriteLock 接口以和Lock類似的方式定義了一些讀取者可以共享而寫入者獨占的鎖。JUC包只有一 個類實現了該接口,即 ReentrantReadWriteLock,因為它適用於大部分的標准用法上下文。但程序員可 以創建自己的、適用於非標准要求的實現。

03. AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer

Abst ractQueuedSynchronizer就是被稱之為AQS的類,它是一個非常有用的超類,可用來定義鎖以及依賴於排 隊阻塞線程的其他同步器;ReentrantLock,ReentrantReadWriteLock,CountDownLatch,CyclicBarrier 和Semaphore等這些類都是基於AQS類實現的。AbstractQueuedLongSynchronizer 類提供相同的功能但擴 展了對同步狀態的 64 位的支持。兩者都擴展了類 AbstractOwnableSynchronizer(一個幫助記錄當前保 持獨占同步的線程的簡單類)。

04. LockSupport

LockSupport提供“創建鎖”和“其他同步類的基本線程阻塞原語 ”。

LockSupport的功能和"Thread中的Thread.suspend()和Thread.resume()有點類似 ",LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分別是阻塞線程和解除阻塞線程。但是park()和 unpark()不會遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引發的死鎖”問題。

05. Condition

Condition需要和Lock聯合使用,它的作用是代替Object監視器方法,可以通過 await(),signal()來休眠/喚醒線程。
Condition 接口描述了可能會與鎖有關聯的條件變量。這些變量在用法上與使用 Object.wait 訪問的隱 式監視器類似,但提供了更強大的功能。需要特別指出的是,單個 Lock 可能與多個 Condition 對象關 聯。為了避免兼容性問題,Condition 方法的名稱與對應的 Object 版本中的不同。

06. ReentrantLock

ReentrantLock是獨占鎖。所謂獨占鎖,是指只能被獨自占領,即同一個時間點 只能被一個線程鎖獲取到的鎖。ReentrantLock鎖包括"公平的ReentrantLock"和"非公平 的ReentrantLock"。"公平的ReentrantLock"是指"不同線程獲取鎖的機制是公平的 ",而"非公平的  ReentrantLock"則是指"不同線程獲取鎖的機制是非公平的 ",ReentrantLock是"可重入的鎖"。

ReentrantLock的UML類圖如下:

(01) ReentrantLock實現了Lock接口。

(02) ReentrantLock中有一個成員變量sync,sync是Sync類 型;Sync是一個抽象類,而且它繼承於AQS。

(03) ReentrantLock中有"公平鎖類"FairSync 和"非公平鎖類"NonfairSync,它們都是Sync的子類。ReentrantReadWriteLock中sync對象, 是FairSync與NonfairSync中的一種,這也意味著ReentrantLock是"公平鎖"或"非公平鎖 "中的一種,ReentrantLock默認是非公平鎖。

07. ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock是讀寫鎖接口ReadWriteLock的實現類,它 包括子類ReadLock和WriteLock。ReentrantLock是共享鎖,而WriteLock是獨占鎖。

ReentrantReadWriteLock的UML類圖如下:

查看本欄目

(01) ReentrantReadWriteLock 實現了ReadWriteLock接口。

(02) ReentrantReadWriteLock中包含sync對象,讀鎖readerLock和寫鎖 writerLock。讀鎖ReadLock和寫鎖WriteLock都實現了Lock接口。

(03) 和"ReentrantLock" 一樣,sync是Sync類型;而且,Sync也是一個繼承於AQS的抽象類。Sync也包括"公平鎖 "FairSync和"非公平鎖"NonfairSync。

08. CountDownLatch

CountDownLatch是一個同步輔助類,在完成一組正在其他線程中執行的操作之前 ,它允許一個或多個線程一直等待。

CountDownLatch的UML類圖如下:

CountDownLatch包含了sync對 象,sync是Sync類型。CountDownLatch的Sync是實例類,它繼承於AQS。

09. CyclicBarrier

CyclicBarrier是一個同步輔助類,允許一組線程互相等待,直到到達某個公共 屏障點 (common barrier point)。因為該 barrier 在釋放等待線程後可以重用,所以稱它為循環 的 barrier。

CyclicBarrier的UML類圖如下:

CyclicBarrier是包含了 "ReentrantLock對象lock"和"Condition對象trip",它是通過獨占鎖實現的。

CyclicBarrier和CountDownLatch的區別是:

(01) CountDownLatch的作用是允許1或N個線程等待其 他線程完成執行;而CyclicBarrier則是允許N個線程相互等待。

(02) CountDownLatch的計數器無法被 重置;CyclicBarrier的計數器可以被重置後使用,因此它被稱為是循環的barrier。

10. Semaphore

Semaphore是一個計數信號量,它的本質是一個"共享鎖"。

信號量維 護了一個信號量許可集。線程可以通過調用acquire()來獲取信號量的許可;當信號量中有可用的許可時 ,線程能獲取該許可;否則線程必須等待,直到有可用的許可為止。 線程可以通過release()來釋放它所 持有的信號量許可。

Semaphore的UML類圖如下:

和"ReentrantLock" 一樣,Semaphore包含了sync對象,sync是Sync類型;而且,Sync也是一個繼承於AQS的抽象類。Sync也包 括"公平信號量"FairSync和"非公平信號量"NonfairSync。

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