JUC高级十二-ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

news2024/9/22 17:29:38

无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁

1. 关于锁的大厂面试题

  • 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？

2. 读写锁

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。

2.1 ReentrantReadWriteLock分析

由ReentrantLock与ReentrantReadWriteLock的对比

  • ReentrantLock实现的是Lock接口
  • ReentrantReadWriteLock实现的是ReadWriteLock接口

image-20230423153136682

ReadWriteLock接口

  • 有一个读锁一个写锁

image-20230423153304047

2. 读写锁演变

无锁无序->加锁->读写锁

image-20230423154226987

  1. 无锁时期一旦多线程,肯定会出现线程安全问题
  2. 加锁时期读读操作也只能单线程操作-----解决了线程安全问题但是性能太低
  3. 读写锁时期:高并发的情况下大部分的请求都是查询请求,即读多写少的情况,如果读读也互斥了那么效率极低,而且读操作不会影响数据一致性可以不互斥—读写锁诞生.
    • 缺点:
      1. 因为读写锁读写互斥,假设100个线程99个都是读线程只有一个写线程,写线程很难抢到机会,就会出现锁饥饿问题
      2. 锁降级: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,写锁会降级为写锁(写后立刻读)

2.3 『读写锁』意义和特点

  • 『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
    • 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。

2.4 ReentrantLock加锁实例

package site.zhourui.readWriteLockAndStampedLock;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
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)
    {
        lock.lock();
        try
        {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---正在写入");
            map.put(key,value);
            //暂停毫秒
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---完成写入");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void read(String key)
    {
        lock.lock();
        try
        {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---正在读取");
            String result = map.get(key);
            //后续开启注释修改为2000，演示一体两面，读写互斥，读读共享，读没有完成时候写锁无法获得
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---完成读取result："+result);
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

public class ReadWriteLockDemo {

    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();
        }

    }
}

执行结果:

不光读写互斥,读读也是互斥的

image-20230423161721493

2.5 ReentrantReadWriteLock实例实现读读共享

只需要把ReentrantLock换成对应的读写锁

image-20230423162057055

执行结果:

读写仍然互斥,但是读读不会互斥了

image-20230423162216884

2.5.1 读锁占用时写锁是无法获取的

将读锁sleep参数修改为2000

image-20230423162814562

在执行10个读线程后再次写线程

image-20230423162915561

执行结果:

在读锁没有释放的时,写锁是不能获取的

image-20230423162948429

2.6 读写锁的锁降级

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从写锁→读锁，ReentrantReadWriteLock可以降级

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)

2.6.1 读写锁降级规则

  • 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。

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2.6.2 读写锁降级的作用

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

2.6.3 代码实例

package site.zhourui.readWriteLockAndStampedLock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

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();

    }

}

执行结果：

当,当前线程没有释放写锁时,仍然能够该线程仍然能够获取写锁:锁降级

注意之前的读写互斥是说的多线程之间,这里是一个线程的情况获取写锁还能获取读锁这叫锁降级

image-20230423163734702

2.7 锁不可升级

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

image-20230423165025359

2.8 总结

  • 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。

2.9 Oracle公司ReentrantWriteReadLock源码总结

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:

image-20230423165504760

image-20230423165534559

3. 邮戳锁StampedLock 也叫票据锁

  • StampedLock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。
  • 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。
  • 它是由锁饥饿问题引出

3.1 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

3.1.1 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
  • 邮戳锁
    • 乐观读来解决问题

3.2 StampedLock 和ReentrantReadWriteLock的区别

  • 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

    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。

3.3 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

3.4 示例

3.4.1 传统读写功能

package site.zhourui.readWriteLockAndStampedLock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

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);
        }
    }
    public static void main(String[] args)
    {
        StampedLockDemo resource = new StampedLockDemo();

        new Thread(() -> {
            resource.read();
        },"readThread").start();

        new Thread(() -> {
            resource.write();
        },"writeThread").start();
    }

}

执行结果:

读完再写,实现了读(悲观读)写锁的功能

image-20230423181558430

3.4.2 乐观读写功能

package site.zhourui.readWriteLockAndStampedLock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

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(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            resource.write();
        },"writeThread").start();
    }
}

执行结果:

在读线程执行时,写线程仍然能抢到锁

image-20230423182103657

3.4.2.1 乐观读未升级情况

image-20230423182545533

执行结果:

将写的在读后6秒才开启,读操作早在写操作执行之前就执行完成了,所以不会出现重新悲观读

image-20230423182731408

3.5 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。
  • 使用 StampedLock一定不要调用中断操作，即不要调用interrupt() 方法

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部署YUM仓库及NSF服务 一、YUM仓库1.1、YUM仓库概述1.2准备安装来源1.3在软件仓库加载非官方RPM包组1.4yum与apt 二、配置yam源与制作索引表2.1配置FTP源2.2配置国内在线yum源2.3在线源与本地源同时使用2.4建立软件包索引关系表的三种方法 三、nfs共享存储服务3.1安装软件&…
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LVS负载均衡群集——NAT模式实操

LVS负载均衡群集——NAT模式实操

1.1 群集的的定义及意义 群集的定义 Cluster&#xff0c;集群&#xff08;也称群集&#xff09;由多台主机构成&#xff0c;但对外只表现为一一个整体&#xff0c;只提供一-个访问入口(域名或IP地址)&#xff0c; 相当于一台大型计算机。 群集的作用 对于企业服务的的性能提升…
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数学知识四

数学知识四

容斥原理 S表示面积&#xff0c;下面公式可求出不相交的面积 2个圆的公式是这样 4个圆的面积是 总面积-所有俩俩相交的面积所有三三相交的面积-四四相交的面积&#xff0c;公式里加和减互相出现。 从n个集合里面挑一个一直到从n个集合里面挑n个 1-10中&#xff0c;能被2&#x…
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【KingSCADA】如何创建新应用

【KingSCADA】如何创建新应用

大家好&#xff0c;我是雷工! 今天学习使用KingSCADA3.8创建一个新的应用&#xff0c;以下为学习过程和操作笔记。 一、前言 KingSCADA3.8集成开发环境是基于工程的应用管理模式&#xff0c;实现了对多个应用的集中开发和管理的功能&#xff0c;一个工程可以同时管理多个应用…
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【WinForm】Android手机群控工具-桌面程序开发实现

【WinForm】Android手机群控工具-桌面程序开发实现

如何将手下多个Android手机统一管理起来呢&#xff0c;这里是用通过终端输入adb命令来实现控制多个手机的&#xff0c;具体怎么做&#xff0c;接下来给讲一讲。 使用adb工具包 首先&#xff0c;需要准备一套工具&#xff0c;以下是adb工具套件&#xff0c;是在Android SDK开发…
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