synchronized及JUC显式locks 使用原理解析

Applehope 2022-12-26 我要评论

一、synchronized 有不足

新事物的出现要不是替代老事物，要么就是对老事物的补充

JUC 的 locks 就是对 synchronized 的补充

从开始竞争锁到拿到锁这段时间，调用线程一直是阻塞状态，啥都干不了
已经占有的资源也释放不了，别的线程也无法获得；这种不可抢占的情况，更容易带来死锁(死锁产生的原理就是:我占着你要用的资源不给你，你却不能抢)
只有一个条件变量（条件等待队列），用于线程间的协调、通信

二、改进意见

采用更多的措施以避免死锁：

让不能抢占 变为 可抢占，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时

如果能快速申请到，就申请
如果不能快速申请到，可以主动释放它占有的资源

使用者自己可创建多个条件变量，用于线程间的协调、通信。

三、可抢占的方法论

3.1 能够响应中断

synchronized 的问题是：持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。

3.2 支持超时

如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

3.3 非阻塞地获取锁

如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

四、可抢占的实现 - JUC 的 locks

// 支持中断的API
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
// 支持超时的API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)  throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的API
boolean tryLock();

五、多个 Condition（条件变量或条件等待队列）

等效于管程中的条件变量，条件变量用于线程间的同步。通过java.util.concurrent.locks.Lock#newCondition()来创建，每个 Condition 都具有一个 waitSet；这样锁对象就具备了多个waitSet; Condition 提供了以下方法：用于线程的协作（线程等待/激活）。

//线程加入此条件变量的等待队列；类似Object.wait()；使用时也要放到while循环体内。
java.util.concurrent.locks.Condition#await()
java.util.concurrent.locks.Condition#awaitUninterruptibly()
java.util.concurrent.locks.Condition#awaitNanos()
java.util.concurrent.locks.Condition#await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)
java.util.concurrent.locks.Condition#awaitUntil()
//激活此条件变量中的一个线程;类似Object.notify()
java.util.concurrent.locks.Condition#signal()
//激活此条件变量中的所有线程;类似Object.notifyAll()
java.util.concurrent.locks.Condition#signalAll()

java doc 示例：一个有界缓冲，两个条件等待队列，分别被生产者线程和消费者线程来使用。

生产者线程在 notFull 条件队列中等待；意思为生产者线程要阻塞等待，直到有界缓冲不是满的，才能 put
消费者线程在 notEmpty 条件队列中等待；意思为消费者线程要阻塞等待，直到有界缓冲不是空的，才能 take

class BoundedBuffer {
 final Lock lock = new ReentrantLock();
 final Condition notFull  = lock.newCondition();
 final Condition notEmpty = lock.newCondition();
 final Object[] items = new Object[100];
 int putptr, takeptr, count;
 public void put(Object x) throws InterruptedException {
   lock.lock();
   try {
     while (count == items.length)
       notFull.await();
     items[putptr] = x;
     if (++putptr == items.length) putptr = 0;
     ++count;
     notEmpty.signal();
   } finally {
     lock.unlock();
   }
 }
 public Object take() throws InterruptedException {
   lock.lock();
   try {
     while (count == 0)
       notEmpty.await();
     Object x = items[takeptr];
     if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
     --count;
     notFull.signal();
     return x;
   } finally {
     lock.unlock();
   }
 }
}

六、JUC中locks的使用规范

6.1 保证锁的释放

 Lock l = ...;
 l.lock();
 try {
   // access the resource protected by this lock
 } finally {
   l.unlock();
 }

 Lock lock = ...;
 if (lock.tryLock()) {
   try {
     // manipulate protected state
   } finally {
     lock.unlock();
   }
 } else {
   // perform alternative actions
 }

6.2 循环体中使用 await()

while (XXX)
    condition.await();

6.3 同步代码块中使用 await()

必须先持有锁

 l.lock();
 try {
    ...
    while (XXX)
      condition.await();
    ...
 } finally {
   l.unlock();
 }