Java 入门指南：Java 并发编程 —— ReentrantLock 实现悲观锁（Pessimistic Locking）

news2024/11/13 20:34:59

悲观锁

悲观锁（Pessimistic Locking）是一种悲观的并发控制机制，它基于悲观的假设，即并发冲突会时常发生，因此在访问共享资源（如数据库记录或共享变量）之前，会先获取独占性的锁，以防止其他线程对资源的并发读写。

悲观锁适用于写操作频繁、读操作较少的场景，能够确保数据一致性，但会引入较大的性能开销和线程切换的开销。

实现方式

在 Java 中，可以使用以下方式实现悲观锁：

  1. synchronized 关键字：使用 synchronized 关键字可以实现对共享资源的悲观锁。通过在方法或代码块中加上 synchronized 关键字，只允许一个线程进入同步区域，并对共享资源进行操作。其他线程需要等待当前线程释放锁才能进入同步区域。
synchronized (sharedObject) {
    // 进入同步区域，操作共享资源
}
  1. ReentrantLock 类：ReentrantLock 是 Java.util.concurrent 包提供的可重入锁实现。相较于 Synchronized，ReentrantLock 提供了更精细的锁控制，包括手动获取锁、手动释放锁、可重入性等特性。

注意事项

  • 悲观锁的使用需要考虑锁的粒度，过大的锁粒度可能会影响并发性能，过小的锁粒度可能会导致频繁的锁竞争。

  • 使用悲观锁时，应确保获取锁和释放锁的操作是成对出现的，否则可能会导致死锁或资源泄漏等问题。

  • 需要谨慎处理异常情况，确保在异常发生时能够正确释放锁，避免其他线程被阻塞。

ReentrantLock

在Java并发编程中，ReentrantLock 是一个非常强大且灵活的锁机制，ReentrantLock（重入锁）是实现了 Lock接口 的一个类，也是在实际编程中使用频率很高的一个锁，相比于 synchronized 关键字提供了更多的功能和灵活性。

如尝试非阻塞地获取锁、可中断地获取锁、以及锁的超时获取等。支持重入性，能够对共享资源重复加锁，即当前线程获取该锁后再次获取不会被阻塞。这些特性使得 ReentrantLock 成为实现悲观锁（Pessimistic Locking）的理想选择。

ReentrantLock 继承了 AQS（AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，即 抽象队列同步器，是 Java.util.concurrent 中的一个基础工具类），内部有一个抽象类 Sync，实现了一个同步器。

使用 ReentrantLock 需要进行显式地加锁和释放锁操作，如下所示：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

lock.lock(); // 加锁
try {
    // 临界区代码
} finally {
    lock.unlock(); // 释放锁
}

特性

ReentrantLock 提供了与 synchronized 类似的互斥访问资源的能力，但它还提供了一些额外的特性：

  1. 可重入性：同一个线程可以多次获取同一个 ReentrantLock 锁，而不会产生死锁。这使得在一个方法中调用另一个需要同步访问的方法成为可能。

    在线程获取锁的时候，如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功；

    由于锁会被获取 n 次，那么只有锁在被释放同样的 n 次之后，该锁才算是完全释放成功。

  2. 可中断性：ReentrantLock 提供了可中断的锁获取方式，即可以在等待锁时响应中断。

  3. 公平性：ReentrantLock 可以选择公平性或非公平性的获取锁方式。

    • 在公平模式下，等待时间较长的线程更容易获得锁

    • 在非公平模式下，则不保证线程获取锁的顺序。

  4. 条件变量支持：ReentrantLock 通常与 Condition 配合使用，提供了与条件变量相关联的 Condition 对象，能够更灵活地实现精确的线程等待和唤醒操作。可以方便地实现多路选择通知，更加精确的线程等待和通知机制。

synchronized 只能通过 wait 和 notify/notifyAll 方法唤醒一个线程或者唤醒全部线程（单路通知）

公平锁和非公平锁

公平锁（Fair Lock）和非公平锁（Unfair Lock）是针对锁的获取顺序而言的。

ReentrantLock 内部有两个非抽象类 NonfairSync 和 FairSync，即 非公平同步器 和 公平同步器，它们都继承了 Sync 类，都调用了 AOS（AbstractOwnableSynchronizer，这个类于 JDK 1.6 引入。用于表示锁与持有者之间的关系（独占模式）） 的 setExclusiveOwnerThread 方法，即 公平锁和非公平锁都是独占锁。

公平锁

公平锁（Fair Lock）：当锁处于可用状态时，锁会先分配给等待时间最长的线程，也就是先排队的线程。

这样能够保证线程获取锁的顺序与线程启动的顺序一致，避免了等待时间过长的情况，确保较低优先级的线程也有机会获取到锁。在公平锁的情况下，锁的获取顺序是按照线程请求锁的顺序（FIFO）来进行排序的。

公平锁比非公平锁的性能更差一些，因为需要维护队列，而队列的操作是会对性能产生影响的。此外，使用公平锁时还可能出现 活锁 现象，即一个线程不断尝试获取锁，但总是失败的情况。

如果希望保证响应时间足够短且资源利用率不低，可以使用公平锁。

非公平锁

非公平锁（Unfair Lock）：当锁处于可用状态时，锁会立即分配给一个准备好的线程，而不考虑其他等待获取锁的线程。在非公平锁的情况下，获取锁的线程是随机选择的，不具有先来先服务的特点。

在一般情况下，使用非公平锁的性能会更好，因为非公平锁减少了线程上下文的切换，从而提高了并发性。

创建 ReentrantLock

  1. ReentrantLock 的无参构造方法是构造非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
  1. ReentrantLock 的有参构造方法可传入一个 boolean 值，true 时为公平锁，false 时为非公平锁：
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁的实现方式与非公平锁的实现方式基本一致，只是在获取锁时增加了判断当前节点是否有前驱节点的逻辑判断

使用 ReentrantLock 时，锁必须在 try 代码块开始之前获取，并且加锁之前不能有异常抛出，否则在 finally 块中就无法释放锁（ ReentrantLock 的锁必须在 finally 中手动释放）

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// ...
lock.lock();
try {
    doSomething();
    doOthers();
} finally {
    lock.unlock();
}

ReentrantLock 使用示例

下面是一个使用 ReentrantLock 实现悲观锁的简单示例：

import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
  
public class Counter {  
    // 使用 ReentrantLock 作为悲观锁  
    private final Lock lock = new ReentrantLock();  
    private int count = 0;  
  
    // 线程安全地增加计数  
    public void increment() {  
        lock.lock(); // 尝试获取锁  
        try {  
            count++; // 访问共享资源  
        } finally {  
            lock.unlock(); // 释放锁  
        }  
    }  
  
    // 获取当前计数  
    public int getCount() {  
        lock.lock(); // 尝试获取锁  
        try {  
            return count; // 访问共享资源  
        } finally {  
            lock.unlock(); // 释放锁  
        }  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Counter counter = new Counter();  
  
        // 假设有多个线程同时调用 increment() 方法  
        // 这里为了演示，我们只用一个线程来模拟  
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {  
            counter.increment();  
        }  
  
        System.out.println("Final count: " + counter.getCount());  
    }  
}

在这个示例中，Counter 类中的 increment() 和 getCount() 方法都使用了 ReentrantLock 来确保线程安全。尽管在这个简单的例子中我们只使用了单个线程来调用 increment() 方法，但在多线程环境下，ReentrantLock 会确保 count 变量的增加操作是线程安全的。

ReentrantReadWriteLock

在并发场景中，为了解决线程安全问题，我们通常会使用关键字 sychronized 或者 JUC 包（Java Util Concurrent Java 并发工具包）中实现了 Lock 接口的 ReentrantLockopen。但它们都是独占式获取锁，也就是在同一时刻只有一个线程能够获取锁。

而在一些业务场景中，大部分只是读数据，写数据很少，如果仅仅是读数据的话并不会影响数据正确性，而如果在这种业务场景下，依然使用独占锁的话，很显然会出现性能瓶颈。针对这种读多写少的情况，Java 提供了另外一个实现 Lock 接口的 ReentrantReadWriteLock。

ReentrantReadWriteLock 读写锁，它是对传统的互斥锁（如 ReentrantLock）的扩展，可以允许多个线程同时读取共享资源，而对写操作进行互斥，提供了读写分离的机制。

特性

ReentrantReadWriteLock 具有以下特点：

  1. 读锁共享性：多个线程可以同时获取读锁，读取共享资源，而不会互斥。这使得多个线程可以同时读取数据，提高了并发性能。

  2. 写锁独占性：一旦线程获取了写锁，其他线程无法获取读锁或写锁。这样可以确保只有一个线程进行写操作，保持数据的一致性。

  3. 可重入性：和 ReentrantLock 一样，ReentrantReadWriteLock 支持重入，同一个线程可以多次获取读锁或写锁。

  4. 锁降级：读写锁支持锁降级，即写锁降级，是一种允许写锁转换为读锁的过程。不支持锁升级。

由于读锁是共享的，所以当存在读锁时，写操作会被阻塞。这使得写操作的优先级较高，可以防止写操作长时间被读操作阻塞。

ReentrantReadWriteLock 管理读锁和写锁的机制使得读写操作可以并发进行，读锁和写锁是分离的，实现了读写、写读、写写的过程互斥，从而提高了并发性能。

适用于读操作远远多于写操作的场景，允许多线程同时读取共享资源，避免了读-读之间的互斥。

但在读操作和写操作的频率相差不大，或者读操作频率较高的情况下，仍然可能导致写操作长时间被延迟，影响系统的响应性能。

写锁降级

ReentrantReadWriteLock 的内部实现使用了 写锁降级 的机制，即一个线程在持有写锁的同时可以获取读锁，并逐步释放写锁，从而实现了锁的降级。

写锁降级是一种允许写锁转换为读锁的过程。通常的顺序是：

  1. 获取写锁：线程首先获取写锁，确保在修改数据时排它访问。

  2. 获取读锁：在写锁保持的同时，线程可以再次获取读锁。

  3. 释放写锁：线程保持读锁的同时释放写锁。

  4. 释放读锁：最后线程释放读锁。

这样，写锁就降级为读锁，允许其他线程进行并发读取操作，但仍然排除其他线程的写操作。

![[processCachedData().png]]

  1. 获取读锁：首先尝试获取读锁来检查某个缓存是否有效。

  2. 检查缓存：如果缓存无效，则需要释放读锁，因为在获取写锁之前必须释放读锁。

  3. 获取写锁：获取写锁以便更新缓存。此时，可能还需要重新检查缓存状态，因为在释放读锁和获取写锁之间可能有其他线程修改了状态。

  4. 更新缓存：如果确认缓存无效，更新缓存并将其标记为有效。

  5. 写锁降级为读锁：在释放写锁之前，获取读锁，从而实现写锁到读锁的降级。这样，在释放写锁后，其他线程可以并发读取，但不能写入。

  6. 使用数据：现在可以安全地使用缓存数据了。

  7. 释放读锁：完成操作后释放读锁。

读写状态的记录

AQS 内部的 state 字段（int 类型，32 位），用于描述有多少线程持有锁。

  • 同步状态的低 16 位用来表示写锁的获取次数

  • 同步状态的高 16 位用来表示读锁被获取的次数

如果是重入锁的话 state 值就是重入的次数

![[record of sharedCount and exclusiveCount.png]]

读锁和写锁

ReentrantReadWriteLock 内部维护了两把锁，分别为 读锁 ReadLock 和 写锁 WriteLock

![[ReentrantReadWriteLock Variable.png]]

ReadLock 和 WriteLock 是靠 AQS（AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，即 抽象队列同步器，是 Java.util.concurrent 中的一个基础工具类）的子类 Sync 实现的锁

写锁
写锁的获取

ReentrantReadWriteLock 的写锁是排他锁（独享锁），而实现写锁的同步语义是通过重写 AQS 中的 tryAcquire 方法实现的：

首先获取写锁当前的同步状态，当读锁已经被读线程获取或者写锁已经被其他写线程获取，则写锁获取失败；否则，获取写锁成功并支持重入，增加写状态 exclusiveCount。

tryAcquire() 除了重入条件（当前线程为获取写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取。

原因在于：必须确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已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就无法感知到当前写线程的操作。

因此只有等待其他读线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。

写锁的释放

写锁释放通过重写 AQS 的 tryRelease 方法实现，与 ReentrantLock 的释放基本一致：

![[Release WirteLock Source Code.png]]

  1. 判断当前线程是否持有写锁，若未持有则抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

  2. 将写状态变量减去对应的计数值 releases
    int nextc = getState() - releases; 因为写状态是由同步状态的低 16 位表示的，只需要用当前同步状态直接减去写状态。

  3. 如果计数器为 0，则唤醒一个等待写锁的线程

  4. 如果计数器不为 0，则需要唤醒所有等待的线程

读锁
读锁的获取

读锁是一种共享式锁，同一时刻该锁可以被多个读线程获取。实现共享式同步组件的同步语义需要通过重写 AQS（AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，即 抽象队列同步器，是 Java.util.concurrent 中的一个基础工具类） 的 tryAcquireShared 方法和 tryReleaseShared 方法

首先获取写锁的同步状态，如果写锁已经其他被获取，获取读锁失败，进入等待状态，如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，当前线程增加读状态，获取读锁成功，利用 CAS 更新同步状态。

如果 CAS 失败或者已经获取读锁的线程再次获取读锁时，是通过 fullTryAcquireShared 方法实现的

读锁的释放

读锁释放的实现主要通过重写 AQS 的方法 tryReleaseShared 实现

  1. 判断当前线程是否持有读锁，若未持有则抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

  2. 将当前线程的读锁计数器减 1。

  3. 如果当前线程的读锁计数器为 0，从读锁的等待队列中唤醒一个线程。

  4. 如果当前线程的读锁计数器还不为 0，则说明当前线程还持有至少一个读锁，不需要释放锁。

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