Java多线程并发08——锁在Java中的应用

03/22 21:15
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前两篇文章中,为各位带来了,锁的类型及锁在Java中的实现。接下来本文将为各位带来锁在Java中的应用相关知识。关注我的公众号「Java面典」了解更多 Java 相关知识点。

锁在Java中主要应用还是在JUC(java.util.concurrent)包下的相关类,常用的主要有原子类、原子集合以及阻塞队列。

原子类(Atomicxxx)

AtomicLong

AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicBoolean 这3个基本类型的原子类的原理和用法相似。

作用

对 Long 进行原子操作。 在32位操作系统中,64位的 long 和 double 变量由于会被 JVM 当作两个分离的 32 位来进行操作,所以不具有原子性。而使用 AtomicLong 能让 long 的操作保持原子型。

实现原理

AtomicLong 主要依赖 CAS 原理实现。以 incrementAndGet() 为例,其实现原理如下:

  1. incrementAndGet() 首先会根据 get() 获取 AtomicLong 对应的 long 值;
  2. incrementAndGet() 接着将 current 加 1,然后通过 CAS 函数,将新的值赋值给 value。

AtomicIntegerArray

AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray这3个数组类型的原子类的原理和用法相似。

作用

AtomicLongArray 的作用则是对"长整形数组"进行原子操作。

实现原理

AtomicLongArray 和 AtomicLong 实现原理类似,也是依赖于 CAS 原理实现。以 addAndGet() 为例,其实现原理如下:

public long addAndGet(int i, long delta) {
    // 检查数组是否越界
    long offset = checkedByteOffset(i);
    while (true) {
        // 获取long型数组的索引 offset 的原始值
        long current = getRaw(offset);
        // 修改long型值
        long next = current + delta;
        // 通过CAS更新long型数组的索引 offset的值。
        if (compareAndSetRaw(offset, current, next))
            return next;
    }
}
  1. 首先检查数组是否越界;
  2. 若未越界,采取和 AtomcitLong 一样的方式进行值更新。

AtomicReference

作用

AtomicReference 是作用是对"对象"进行原子操作。

实现原理

AtomicReference 是通过"volatile"和"Unsafe提供的CAS函数实现"原子操作。其实现原理如下:

  1. 首先 AtomicReference 类的 value 是 volatile 类型。这保证了:当某线程修改 value 的值时,其他线程看到的 value 值都是最新的 value 值,即修改之后的 volatile 的值;
  2. 通过 CAS 设置 value。这保证了:当某线程池通过 CAS 函数(如 compareAndSet 函数)设置 value 时,它的操作是原子的,即线程在操作 value 时不会被中断。

AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater 这 3 个修改类的成员的原子类型的原理和用法相似。

作用

AtomicLongFieldUpdater 可以对指定"类的 'volatile long'类型的成员"进行原子更新。它是基于反射原理实现的。

实现原理

以 newUpdater() 为例,其实现原理如下:

public static <U> AtomicLongFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName) {
    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
    if (AtomicLong.VM_SUPPORTS_LONG_CAS)
        return new CASUpdater<U>(tclass, fieldName, caller);
    else
        return new LockedUpdater<U>(tclass, fieldName, caller);
}
  1. newUpdater() 实际上返回的是CASUpdater对象,或者LockedUpdater对象;
  2. 具体返回哪一个类取决于 JVM 是否支持 long 类型的 CAS 函数;
  3. CASUpdater 和 LockedUpdater 都是 AtomicIntegerFieldUpdater 的子类,它们的实现类似。

原子集合(CopyOnWritexxx、Concurrentxxx)

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 与 CopyOnWriteArraySet 的作用类似,不过一个是动态数组,一个是散列表,其实现原理类似。

作用

CopyOnWriteArrayList 相当于线程安全的 ArrayList 。

实现原理

动态数组实现

  1. 在其内部有个“volatile数组”(array)来存储数据;
  2. 在“添加/修改/删除”数据时,都会新建一个数组,并将更新后的数据拷贝到新建的数组中;
  3. 最后再将该数组赋值给“volatile数组”。

线程安全实现: CopyOnWriteArrayList 的线程安全是通过 volatile 和互斥锁来实现的。

  1. CopyOnWriteArrayList 是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时,总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入;就这样,通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证。
  2. CopyOnWriteArrayList 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时,会先“获取互斥锁”,再修改完毕之后,先将数据更新到“volatile数组”中,然后再“释放互斥锁”;这样,就达到了保护数据的目的。

CopyOnWriteArrayList 与 ArrayList 区别

  1. CopyOnWriteArrayList 是线程安全的;
  2. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove() 等等)的开销很大;
  3. 迭代器支持 hasNext(),next() 等不可变操作,但不支持可变 remove() 等操作;
  4. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。

适用范围

CopyOnWriteArrayList 最适合于具有以下特征的应用程序:

  1. List 大小通常保持很小;
  2. 只读操作远多于可变操作;
  3. 需要在遍历期间防止线程间的冲突。

ConcurrentHashMap

与 ConcurrentHashMap 类似的还有 ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet。ConcurrentHashMap 的实现原理可以在我往期的文章中查看。ConcurrentHashMap 传送门

阻塞队列(xxxQueue)

阻塞情况

在阻塞队列中,队列阻塞有这样的两种情况:

  1. 当队列中没有数据的情况下,消费者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到有数据放入队列;
  2. 当队列中填满数据的情况下,生产者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到队列中有空的位置,线程被自动唤醒。

常用方法

方法类型 抛出异常 特殊值 阻塞 超时
插入 add(e) offer(e) put(e) offer(e, time, unit)
移除 remove() poll() take() pull(time, uinit)
检查 element() peek() 不可用 不可用
  • 抛出异常:抛出一个异常;
  • 特殊值:返回一个特殊值(null 或 false,视情况而定);
  • 则塞:在成功操作之前,一直阻塞线程;
  • 超时:放弃前只在最大的时间内阻塞。

ArrayBlockingQueue(公平、非公平)

本质:用数组实现的有界阻塞队列。

特点

  1. 此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序;
  2. 默认情况下不保证访问者公平的访问队列;
  3. 公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列;
  4. 通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。
// 创建一个公平的阻塞队列
ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

LinkedBlockingQueue(两个独立锁提高并发)

本质:由链表结构组成的有界阻塞队列,与 ArrayListBlockingQueue 类似。

特点

  1. 此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序;
  2. 对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步,在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据,以此来提高整个队列的并发性能;
  3. LinkedBlockingQueue 会默认一个类似无限大小的容量(Integer.MAX_VALUE)。

PriorityBlockingQueue(compareTo 排序实现优先)

本质:支持优先级排序的无界阻塞队列。

特点

  1. 默认情况下元素采取自然顺序升序排列;
  2. 可以自定义实现 compareTo() 方法来指定元素进行排序规则,或者初始化 PriorityBlockingQueue 时,指定构造参数 Comparator 来对元素进行排序。 PriorityBlockingQueue 不能保证同优先级元素的顺序。

DelayQueue(缓存失效、定时任务 )

本质:使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

特点

  1. 队列使用 PriorityQueue 来实现;
  2. 队列中的元素必须实现 Delayed 接口,在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

适用场景

  1. 缓存系统的设计:可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期,使用一个线程循环查询 DelayQueue,一旦能从 DelayQueue 中获取元素时,表示缓存有效期到了。
  2. 定时任务调度:使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间,一旦从 DelayQueue 中获取到任务就开始执行,从比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。

SynchronousQueue(不存储数据、可用于传递数据)

本质:不存储元素的阻塞队列。

特点

  1. 每一个 put 操作必须等待一个 take 操作,否则不能继续添加元素;
  2. 队列本身并不存储任何元素,只是负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。

适用场景 适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给另外一个线程使用。

SynchronousQueue 的吞吐量高于 LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue。

LinkedTransferQueue

本质:由链表结构组成的无界阻塞队列。

特点 相对于其他阻塞队列,LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和 transfer 方法。

  1. transfer 方法:如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用 take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer 方法可以把生产者传入的元素立刻 transfer(传输)给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer 方法会将元素存放在队列的 tail 节点,并等到该元素被消费者消费了才返回。
  2. tryTransfer 方法。则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则返回 false。对于带有时间限制的 tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法,则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者,但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回,如果超时还没消费元素,则返回 false,如果在超时时间内消费了元素,则返回 true。 和 transfer 方法的区别是 tryTransfer 方法无论消费者是否接收,方法立即返回。而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。

LinkedBlockingDeque

本质:由链表结构组成的双向阻塞队列。

特点

  1. 可以从队列的两端插入和移出元素;
  2. 双端队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时入队时,也就减少了一半的竞争;
  3. 相比其他的阻塞队列,LinkedBlockingDeque 多了 addFirst,addLast,offerFirst,offerLast,peekFirst,peekLast 等方法。

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原文出处:https://www.cnblogs.com/weechang/p/12547064.html

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