深入理解JAVA并发锁

原创
2020/11/05 09:28
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深入理解 Java 并发锁

1. 并发锁简介

确保线程安全最常见的做法是利用锁机制(Locksychronized)来对共享数据做互斥同步,这样在同一个时刻,只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块,那么操作必然是原子性的,线程安全的。

在工作、面试中,经常会听到各种五花八门的锁,听的人云里雾里。锁的概念术语很多,它们是针对不同的问题所提出的,通过简单的梳理,也不难理解。

1.1. 可重入锁

可重入锁,顾名思义,指的是线程可以重复获取同一把锁。即同一个线程在外层方法获取了锁,在进入内层方法会自动获取锁。

可重入锁可以在一定程度上避免死锁

  • ReentrantLockReentrantReadWriteLock 是可重入锁。这点,从其命名也不难看出。
  • synchronized 也是一个可重入锁

【示例】synchronized 的可重入示例

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个典型场景:如果使用的锁不是可重入锁的话,setB 可能不会被当前线程执行,从而造成死锁。

【示例】ReentrantLock 的可重入示例

class Task {

    private int value;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public Task() {
        this.value = 0;
    }

    public int get() {
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            return value;
        } finally {
            // 保证锁能释放
            lock.unlock();
        }
    }

    public void addOne() {
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            // 注意:此处已经成功获取锁,进入 get 方法后,又尝试获取锁,
            // 如果锁不是可重入的,会导致死锁
            value = 1 + get();
        } finally {
            // 保证锁能释放
            lock.unlock();
        }
    }

}

1.2. 公平锁与非公平锁

  • 公平锁 - 公平锁是指 多线程按照申请锁的顺序来获取锁
  • 非公平锁 - 非公平锁是指 多线程不按照申请锁的顺序来获取锁 。这就可能会出现优先级反转(后来者居上)或者饥饿现象(某线程总是抢不过别的线程,导致始终无法执行)。

公平锁为了保证线程申请顺序,势必要付出一定的性能代价,因此其吞吐量一般低于非公平锁。

公平锁与非公平锁 在 Java 中的典型实现:

  • synchronized 只支持非公平锁
  • ReentrantLockReentrantReadWriteLock,默认是非公平锁,但支持公平锁

1.3. 独享锁与共享锁

独享锁与共享锁是一种广义上的说法,从实际用途上来看,也常被称为互斥锁与读写锁。

  • 独享锁 - 独享锁是指 锁一次只能被一个线程所持有
  • 共享锁 - 共享锁是指 锁可被多个线程所持有

独享锁与共享锁在 Java 中的典型实现:

  • synchronizedReentrantLock 只支持独享锁
  • ReentrantReadWriteLock 其写锁是独享锁,其读锁是共享锁。读锁是共享锁使得并发读是非常高效的,读写,写读 ,写写的过程是互斥的。

1.4. 悲观锁与乐观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁,而是处理并发同步的策略

  • 悲观锁 - 悲观锁对于并发采取悲观的态度,认为:不加锁的并发操作一定会出问题悲观锁适合写操作频繁的场景
  • 乐观锁 - 乐观锁对于并发采取乐观的态度,认为:不加锁的并发操作也没什么问题。对于同一个数据的并发操作,是不会发生修改的。在更新数据的时候,会采用不断尝试更新的方式更新数据。乐观锁适合读多写少的场景

悲观锁与乐观锁在 Java 中的典型实现:

  • 悲观锁在 Java 中的应用就是通过使用 synchronizedLock 显示加锁来进行互斥同步,这是一种阻塞同步。

  • 乐观锁在 Java 中的应用就是采用 CAS 机制(CAS 操作通过 Unsafe 类提供,但这个类不直接暴露为 API,所以都是间接使用,如各种原子类)。

1.5. 偏向锁、轻量级锁、重量级锁

所谓轻量级锁与重量级锁,指的是锁控制粒度的粗细。显然,控制粒度越细,阻塞开销越小,并发性也就越高。

Java 1.6 以前,重量级锁一般指的是 synchronized ,而轻量级锁指的是 volatile

Java 1.6 以后,针对 synchronized 做了大量优化,引入 4 种锁状态: 无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁可以单向的从偏向锁升级到轻量级锁,再从轻量级锁升级到重量级锁 。

  • 偏向锁 - 偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。

  • 轻量级锁 - 是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,提高性能。

  • 重量级锁 - 是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候,还没有获取到锁,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。

1.6. 分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,并不是具体的一种锁。所谓分段锁,就是把锁的对象分成多段,每段独立控制,使得锁粒度更细,减少阻塞开销,从而提高并发性。这其实很好理解,就像高速公路上的收费站,如果只有一个收费口,那所有的车只能排成一条队缴费;如果有多个收费口,就可以分流了。

Hashtable 使用 synchronized 修饰方法来保证线程安全性,那么面对线程的访问,Hashtable 就会锁住整个对象,所有的其它线程只能等待,这种阻塞方式的吞吐量显然很低。

Java 1.7 以前的 ConcurrentHashMap 就是分段锁的典型案例。ConcurrentHashMap 维护了一个 Segment 数组,一般称为分段桶。

final Segment<K,V>[] segments;

当有线程访问 ConcurrentHashMap 的数据时,ConcurrentHashMap 会先根据 hashCode 计算出数据在哪个桶(即哪个 Segment),然后锁住这个 Segment

1.7. 显示锁和内置锁

Java 1.5 之前,协调对共享对象的访问时可以使用的机制只有 synchronizedvolatile。这两个都属于内置锁,即锁的申请和释放都是由 JVM 所控制。

Java 1.5 之后,增加了新的机制:ReentrantLockReentrantReadWriteLock ,这类锁的申请和释放都可以由程序所控制,所以常被称为显示锁。

注意:如果不需要 ReentrantLockReentrantReadWriteLock 所提供的高级同步特性,应该优先考虑使用 synchronized 。理由如下:

  • Java 1.6 以后,synchronized 做了大量的优化,其性能已经与 ReentrantLockReentrantReadWriteLock 基本上持平。
  • 从趋势来看,Java 未来更可能会优化 synchronized ,而不是 ReentrantLockReentrantReadWriteLock ,因为 synchronized 是 JVM 内置属性,它能执行一些优化。
  • ReentrantLockReentrantReadWriteLock 申请和释放锁都是由程序控制,如果使用不当,可能造成死锁,这是很危险的。

以下对比一下显示锁和内置锁的差异:

  • 主动获取锁和释放锁
    • synchronized 不能主动获取锁和释放锁。获取锁和释放锁都是 JVM 控制的。
    • ReentrantLock 可以主动获取锁和释放锁。(如果忘记释放锁,就可能产生死锁)。
  • 响应中断
    • synchronized 不能响应中断。
    • ReentrantLock 可以响应中断。
  • 超时机制
    • synchronized 没有超时机制。
    • ReentrantLock 有超时机制。ReentrantLock 可以设置超时时间,超时后自动释放锁,避免一直等待。
  • 支持公平锁
    • synchronized 只支持非公平锁。
    • ReentrantLock 支持非公平锁和公平锁。
  • 是否支持共享
    • synchronized 修饰的方法或代码块,只能被一个线程访问(独享)。如果这个线程被阻塞,其他线程也只能等待
    • ReentrantLock 可以基于 Condition 灵活的控制同步条件。
  • 是否支持读写分离
    • synchronized 不支持读写锁分离;
    • ReentrantReadWriteLock 支持读写锁,从而使阻塞读写的操作分开,有效提高并发性。

2. Lock 和 Condition

2.1. 为何引入 Lock 和 Condition

并发编程领域,有两大核心问题:一个是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;另一个是同步,即线程之间如何通信、协作。这两大问题,管程都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程,其中 Lock 用于解决互斥问题,Condition 用于解决同步问题

synchronized 是管程的一种实现,既然如此,何必再提供 Lock 和 Condition。

JDK 1.6 以前,synchronized 还没有做优化,性能远低于 Lock。但是,性能不是引入 Lock 的最重要因素。真正关键在于:synchronized 使用不当,可能会出现死锁。

synchronized 无法通过破坏不可抢占条件来避免死锁。原因是 synchronized 申请资源的时候,如果申请不到,线程直接进入阻塞状态了,而线程进入阻塞状态,啥都干不了,也释放不了线程已经占有的资源。

与内置锁 synchronized 不同的是,Lock 提供了一组无条件的、可轮询的、定时的以及可中断的锁操作,所有获取锁、释放锁的操作都是显式的操作。

  • 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。
  • 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。
  • 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。

2.2. Lock 接口

Lock 的接口定义如下:

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}
  • lock() - 获取锁。
  • unlock() - 释放锁。
  • tryLock() - 尝试获取锁,仅在调用时锁未被另一个线程持有的情况下,才获取该锁。
  • tryLock(long time, TimeUnit unit) - 和 tryLock() 类似,区别仅在于限定时间,如果限定时间内未获取到锁,视为失败。
  • lockInterruptibly() - 锁未被另一个线程持有,且线程没有被中断的情况下,才能获取锁。
  • newCondition() - 返回一个绑定到 Lock 对象上的 Condition 实例。

2.3. Condition

Condition 实现了管程模型里面的条件变量

前文中提过 Lock 接口中 有一个 newCondition() 方法用于返回一个绑定到 Lock 对象上的 Condition 实例。Condition 是什么?有什么作用?本节将一一讲解。

在单线程中,一段代码的执行可能依赖于某个状态,如果不满足状态条件,代码就不会被执行(典型的场景,如:if ... else ...)。在并发环境中,当一个线程判断某个状态条件时,其状态可能是由于其他线程的操作而改变,这时就需要有一定的协调机制来确保在同一时刻,数据只能被一个线程锁修改,且修改的数据状态被所有线程所感知。

Java 1.5 之前,主要是利用 Object 类中的 waitnotifynotifyAll 配合 synchronized 来进行线程间通信 。

waitnotifynotifyAll 需要配合 synchronized 使用,不适用于 Lock。而使用 Lock 的线程,彼此间通信应该使用 Condition 。这可以理解为,什么样的锁配什么样的钥匙。内置锁(synchronized)配合内置条件队列(waitnotifynotifyAll ),显式锁(Lock)配合显式条件队列(Condition

Condition 的特性

Condition 接口定义如下:

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    void awaitUninterruptibly();
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

其中,awaitsignalsignalAllwaitnotifynotifyAll 相对应,功能也相似。除此以外,Condition 相比内置条件队列( waitnotifynotifyAll ),提供了更为丰富的功能:

  • 每个锁(Lock)上可以存在多个 Condition,这意味着锁的状态条件可以有多个。
  • 支持公平的或非公平的队列操作。
  • 支持可中断的条件等待,相关方法:awaitUninterruptibly()
  • 支持可定时的等待,相关方法:awaitNanos(long)await(long, TimeUnit)awaitUntil(Date)

Condition 的用法

这里以 Condition 来实现一个消费者、生产者模式。

产品类

class Message {

    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    private final Condition producedMsg = lock.newCondition();

    private final Condition consumedMsg = lock.newCondition();

    private String message;

    private boolean state;

    private boolean end;

    public void consume() {
        //lock
        lock.lock();
        try {
            // no new message wait for new message
            while (!state) { producedMsg.await(); }

            System.out.println("consume message : " + message);
            state = false;
            // message consumed, notify waiting thread
            consumedMsg.signal();
        } catch (InterruptedException ie) {
            System.out.println("Thread interrupted - viewMessage");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void produce(String message) {
        lock.lock();
        try {
            // last message not consumed, wait for it be consumed
            while (state) { consumedMsg.await(); }

            System.out.println("produce msg: " + message);
            this.message = message;
            state = true;
            // new message added, notify waiting thread
            producedMsg.signal();
        } catch (InterruptedException ie) {
            System.out.println("Thread interrupted - publishMessage");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean isEnd() {
        return end;
    }

    public void setEnd(boolean end) {
        this.end = end;
    }

}

消费者

class MessageConsumer implements Runnable {

    private Message message;

    public MessageConsumer(Message msg) {
        message = msg;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!message.isEnd()) { message.consume(); }
    }

}

生产者

class MessageProducer implements Runnable {

    private Message message;

    public MessageProducer(Message msg) {
        message = msg;
    }

    @Override
    public void run() {
        produce();
    }

    public void produce() {
        List<String> msgs = new ArrayList<>();
        msgs.add("Begin");
        msgs.add("Msg1");
        msgs.add("Msg2");

        for (String msg : msgs) {
            message.produce(msg);
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        message.produce("End");
        message.setEnd(true);
    }

}

测试

public class LockConditionDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Message msg = new Message();
        Thread producer = new Thread(new MessageProducer(msg));
        Thread consumer = new Thread(new MessageConsumer(msg));
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

3. ReentrantLock

ReentrantLock 类是 Lock 接口的具体实现,与内置锁 synchronized 相同的是,它是一个可重入锁

3.1. ReentrantLock 的特性

ReentrantLock 的特性如下:

  • ReentrantLock 提供了与 synchronized 相同的互斥性、内存可见性和可重入性
  • ReentrantLock 支持公平锁和非公平锁(默认)两种模式。
  • ReentrantLock 实现了 Lock 接口,支持了 synchronized 所不具备的灵活性
    • synchronized 无法中断一个正在等待获取锁的线程
    • synchronized 无法在请求获取一个锁时无休止地等待

3.2. ReentrantLock 的用法

前文了解了 ReentrantLock 的特性,接下来,我们要讲述其具体用法。

ReentrantLock 的构造方法

ReentrantLock 有两个构造方法:

public ReentrantLock() {}
public ReentrantLock(boolean fair) {}
  • ReentrantLock() - 默认构造方法会初始化一个非公平锁(NonfairSync)
  • ReentrantLock(boolean) - new ReentrantLock(true) 会初始化一个公平锁(FairSync)

lock 和 unlock 方法

  • lock() - 无条件获取锁。如果当前线程无法获取锁,则当前线程进入休眠状态不可用,直至当前线程获取到锁。如果该锁没有被另一个线程持有,则获取该锁并立即返回,将锁的持有计数设置为 1。
  • unlock() - 用于释放锁

:bell: 注意:请务必牢记,获取锁操作 lock() 必须在 try catch 块外进行,并且将释放锁操作 unlock() 放在 finally 块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生

示例:ReentrantLock 的基本操作

public class ReentrantLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        MyThread tA = new MyThread("Thread-A", task);
        MyThread tB = new MyThread("Thread-B", task);
        MyThread tC = new MyThread("Thread-C", task);
        tA.start();
        tB.start();
        tC.start();
    }

    static class MyThread extends Thread {

        private Task task;

        public MyThread(String name, Task task) {
            super(name);
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            task.execute();
        }

    }

    static class Task {

        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        public void execute() {
            lock.lock();
            try {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    System.out.println(lock.toString());

                    // 查询当前线程 hold 住此锁的次数
                    System.out.println("\t holdCount: " + lock.getHoldCount());

                    // 查询正等待获取此锁的线程数
                    System.out.println("\t queuedLength: " + lock.getQueueLength());

                    // 是否为公平锁
                    System.out.println("\t isFair: " + lock.isFair());

                    // 是否被锁住
                    System.out.println("\t isLocked: " + lock.isLocked());

                    // 是否被当前线程持有锁
                    System.out.println("\t isHeldByCurrentThread: " + lock.isHeldByCurrentThread());

                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }

}

输出结果:

java.util.concurrent.locks.ReentrantLock@64fcd88a[Locked by thread Thread-A]
	 holdCount: 1
	 queuedLength: 2
	 isFair: false
	 isLocked: true
	 isHeldByCurrentThread: true
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock@64fcd88a[Locked by thread Thread-C]
	 holdCount: 1
	 queuedLength: 1
	 isFair: false
	 isLocked: true
	 isHeldByCurrentThread: true
// ...

tryLock 方法

与无条件获取锁相比,tryLock 有更完善的容错机制。

  • tryLock() - 可轮询获取锁。如果成功,则返回 true;如果失败,则返回 false。也就是说,这个方法无论成败都会立即返回,获取不到锁(锁已被其他线程获取)时不会一直等待。
  • tryLock(long, TimeUnit) - 可定时获取锁。和 tryLock() 类似,区别仅在于这个方法在获取不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还获取不到锁,就返回 false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回 true。

示例:ReentrantLocktryLock() 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    if (lock.tryLock()) {
        try {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
               // 略...
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } else {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁失败");
    }
}

示例:ReentrantLocktryLock(long, TimeUnit) 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    try {
        if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
            try {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    // 略...
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁失败");
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁超时");
        e.printStackTrace();
    }
}

lockInterruptibly 方法

  • lockInterruptibly() - 可中断获取锁。可中断获取锁可以在获得锁的同时保持对中断的响应。可中断获取锁比其它获取锁的方式稍微复杂一些,需要两个 try-catch 块(如果在获取锁的操作中抛出了 InterruptedException ,那么可以使用标准的 try-finally 加锁模式)。
    • 举例来说:假设有两个线程同时通过 lock.lockInterruptibly() 获取某个锁时,若线程 A 获取到了锁,则线程 B 只能等待。若此时对线程 B 调用 threadB.interrupt() 方法能够中断线程 B 的等待过程。由于 lockInterruptibly() 的声明中抛出了异常,所以 lock.lockInterruptibly() 必须放在 try 块中或者在调用 lockInterruptibly() 的方法外声明抛出 InterruptedException

:bell: 注意:当一个线程获取了锁之后,是不会被 interrupt() 方法中断的。单独调用 interrupt() 方法不能中断正在运行状态中的线程,只能中断阻塞状态中的线程。因此当通过 lockInterruptibly() 方法获取某个锁时,如果未获取到锁,只有在等待的状态下,才可以响应中断。

示例:ReentrantLocklockInterruptibly() 操作

修改上个示例中的 execute() 方法

public void execute() {
    try {
        lock.lockInterruptibly();

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            // 略...
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被中断");
        e.printStackTrace();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

newCondition 方法

newCondition() - 返回一个绑定到 Lock 对象上的 Condition 实例。

3.3. ReentrantLock 的原理

ReentrantLock 的可见性

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();
    try {
      value+=1;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

ReentrantLock,内部持有一个 volatile 的成员变量 state,获取锁的时候,会读写 state 的值;解锁的时候,也会读写 state 的值(简化后的代码如下面所示)。也就是说,在执行 value+=1 之前,程序先读写了一次 volatile 变量 state,在执行 value+=1 之后,又读写了一次 volatile 变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则:

  1. 顺序性规则:对于线程 T1,value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock();
  2. volatile 变量规则:由于 state = 1 会先读取 state,所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作;
  3. 传递性规则:线程 T1 的 value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

ReentrantLock 的数据结构

阅读 ReentrantLock 的源码,可以发现它有一个核心字段:

private final Sync sync;
  • sync - 内部抽象类 ReentrantLock.Sync 对象,Sync 继承自 AQS。它有两个子类:
  • ReentrantLock.FairSync - 公平锁。
  • ReentrantLock.NonfairSync - 非公平锁。

查看源码可以发现,ReentrantLock 实现 Lock 接口其实是调用 ReentrantLock.FairSyncReentrantLock.NonfairSync 中各自的实现,这里不一一列举。

ReentrantLock 的获取锁和释放锁

ReentrantLock 获取锁和释放锁的接口,从表象看,是调用 ReentrantLock.FairSyncReentrantLock.NonfairSync 中各自的实现;从本质上看,是基于 AQS 的实现。

仔细阅读源码很容易发现:

  • void lock() 调用 Sync 的 lock() 方法。

  • void lockInterruptibly() 直接调用 AQS 的 获取可中断的独占锁 方法 lockInterruptibly()

  • boolean tryLock() 调用 Sync 的 nonfairTryAcquire()

  • boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 直接调用 AQS 的 获取超时等待式的独占锁 方法 tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)

  • void unlock() 直接调用 AQS 的 释放独占锁 方法 release(int arg)

直接调用 AQS 接口的方法就不再赘述了,其原理在 [AQS 的原理](#AQS 的原理) 中已经用很大篇幅进行过讲解。

nonfairTryAcquire 方法源码如下:

// 公平锁和非公平锁都会用这个方法区尝试获取锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
         // 如果同步状态为0,将其设为 acquires,并设置当前线程为排它线程
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

处理流程很简单:

  • 如果同步状态为 0,设置同步状态设为 acquires,并设置当前线程为排它线程,然后返回 true,获取锁成功。
  • 如果同步状态不为 0 且当前线程为排它线程,设置同步状态为当前状态值+acquires 值,然后返回 true,获取锁成功。
  • 否则,返回 false,获取锁失败。

公平锁和非公平锁

ReentrantLock 这个类有两个构造函数,一个是无参构造函数,一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略,如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁,反之则表示要构造一个非公平锁。

锁都对应着一个等待队列,如果一个线程没有获得锁,就会进入等待队列,当有线程释放锁的时候,就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁,唤醒的策略就是谁等待的时间长,就唤醒谁,很公平;如果是非公平锁,则不提供这个公平保证,有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

lock 方法在公平锁和非公平锁中的实现:

二者的区别仅在于申请非公平锁时,如果同步状态为 0,尝试将其设为 1,如果成功,直接将当前线程置为排它线程;否则和公平锁一样,调用 AQS 获取独占锁方法 acquire

// 非公平锁实现
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
    // 如果同步状态为0,将其设为1,并设置当前线程为排它线程
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
    // 调用 AQS 获取独占锁方法 acquire
        acquire(1);
}

// 公平锁实现
final void lock() {
    // 调用 AQS 获取独占锁方法 acquire
    acquire(1);
}

4. ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock 适用于读多写少的场景

ReentrantReadWriteLock 类是 ReadWriteLock 接口的具体实现,它是一个可重入的读写锁。ReentrantReadWriteLock 维护了一对读写锁,将读写锁分开,有利于提高并发效率。

读写锁,并不是 Java 语言特有的,而是一个广为使用的通用技术,所有的读写锁都遵守以下三条基本原则:

  • 允许多个线程同时读共享变量;
  • 只允许一个线程写共享变量;
  • 如果一个写线程正在执行写操作,此时禁止读线程读共享变量。

读写锁与互斥锁的一个重要区别就是读写锁允许多个线程同时读共享变量,而互斥锁是不允许的,这是读写锁在读多写少场景下性能优于互斥锁的关键。但读写锁的写操作是互斥的,当一个线程在写共享变量的时候,是不允许其他线程执行写操作和读操作。

4.1. ReentrantReadWriteLock 的特性

ReentrantReadWriteLock 的特性如下:

  • ReentrantReadWriteLock 适用于读多写少的场景。如果是写多读少的场景,由于 ReentrantReadWriteLock 其内部实现比 ReentrantLock 复杂,性能可能反而要差一些。如果存在这样的问题,需要具体问题具体分析。由于 ReentrantReadWriteLock 的读写锁(ReadLockWriteLock)都实现了 Lock 接口,所以要替换为 ReentrantLock 也较为容易。
  • ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口,支持了 ReentrantLock 所不具备的读写锁分离。ReentrantReadWriteLock 维护了一对读写锁(ReadLockWriteLock)。将读写锁分开,有利于提高并发效率。ReentrantReadWriteLock 的加锁策略是:允许多个读操作并发执行,但每次只允许一个写操作
  • ReentrantReadWriteLock 为读写锁都提供了可重入的加锁语义。
  • ReentrantReadWriteLock 支持公平锁和非公平锁(默认)两种模式。

ReadWriteLock 接口定义如下:

public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}
  • readLock - 返回用于读操作的锁(ReadLock)。
  • writeLock - 返回用于写操作的锁(WriteLock)。

在读写锁和写入锁之间的交互可以采用多种实现方式,ReadWriteLock 的一些可选实现包括:

  • 释放优先 - 当一个写入操作释放写锁,并且队列中同时存在读线程和写线程,那么应该优先选择读线程、写线程,还是最先发出请求的线程?
  • 读线程插队 - 如果锁是由读线程持有,但有写线程正在等待,那么新到达的读线程能否立即获得访问权,还是应该在写线程后面等待?如果允许读线程插队到写线程之前,那么将提高并发性,但可能造成线程饥饿问题。
  • 重入性 - 读锁和写锁是否是可重入的?
  • 降级 - 如果一个线程持有写入锁,那么它能否在不释放该锁的情况下获得读锁?这可能会使得写锁被降级为读锁,同时不允许其他写线程修改被保护的资源。
  • 升级 - 读锁能否优先于其他正在等待的读线程和写线程而升级为一个写锁?在大多数的读写锁实现中并不支持升级,因为如果没有显式的升级操作,那么很容易造成死锁。

4.2. ReentrantReadWriteLock 的用法

前文了解了 ReentrantReadWriteLock 的特性,接下来,我们要讲述其具体用法。

ReentrantReadWriteLock 的构造方法

ReentrantReadWriteLockReentrantLock 一样,也有两个构造方法,且用法相似。

public ReentrantReadWriteLock() {}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {}
  • ReentrantReadWriteLock() - 默认构造方法会初始化一个非公平锁(NonfairSync)。在非公平的锁中,线程获得锁的顺序是不确定的。写线程降级为读线程是可以的,但读线程升级为写线程是不可以的(这样会导致死锁)。
  • ReentrantReadWriteLock(boolean) - new ReentrantLock(true) 会初始化一个公平锁(FairSync)。对于公平锁,等待时间最长的线程将优先获得锁。如果这个锁是读线程持有,则另一个线程请求写锁,那么其他读线程都不能获得读锁,直到写线程释放写锁。

ReentrantReadWriteLock 的使用实例

ReentrantReadWriteLock 的特性 中已经介绍过,ReentrantReadWriteLock 的读写锁(ReadLockWriteLock)都实现了 Lock 接口,所以其各自独立的使用方式与 ReentrantLock 一样,这里不再赘述。

ReentrantReadWriteLockReentrantLock 用法上的差异,主要在于读写锁的配合使用。本文以一个典型使用场景来进行讲解。

【示例】基于 ReadWriteLock 实现一个简单的泛型无界缓存

/**
 * 简单的无界缓存实现
 * <p>
 * 使用 WeakHashMap 存储键值对。WeakHashMap 中存储的对象是弱引用,JVM GC 时会自动清除没有被引用的弱引用对象。
 */
static class UnboundedCache<K, V> {

    private final Map<K, V> cacheMap = new WeakHashMap<>();

    private final ReadWriteLock cacheLock = new ReentrantReadWriteLock();

    public V get(K key) {
        cacheLock.readLock().lock();
        V value;
        try {
            value = cacheMap.get(key);
            String log = String.format("%s 读数据 %s:%s", Thread.currentThread().getName(), key, value);
            System.out.println(log);
        } finally {
            cacheLock.readLock().unlock();
        }
        return value;
    }

    public V put(K key, V value) {
        cacheLock.writeLock().lock();
        try {
            cacheMap.put(key, value);
            String log = String.format("%s 写入数据 %s:%s", Thread.currentThread().getName(), key, value);
            System.out.println(log);
        } finally {
            cacheLock.writeLock().unlock();
        }
        return value;
    }

    public V remove(K key) {
        cacheLock.writeLock().lock();
        try {
            return cacheMap.remove(key);
        } finally {
            cacheLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public void clear() {
        cacheLock.writeLock().lock();
        try {
            this.cacheMap.clear();
        } finally {
            cacheLock.writeLock().unlock();
        }
    }

}

说明:

  • 使用 WeakHashMap 而不是 HashMap 来存储键值对。WeakHashMap 中存储的对象是弱引用,JVM GC 时会自动清除没有被引用的弱引用对象。
  • Map 写数据前加写锁,写完后,释放写锁。
  • Map 读数据前加读锁,读完后,释放读锁。

测试其线程安全性:

/**
 * @author <a href="mailto:forbreak@163.com">Zhang Peng</a>
 * @since 2020-01-01
 */
public class ReentrantReadWriteLockDemo {

    static UnboundedCache<Integer, Integer> cache = new UnboundedCache<>();

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            executorService.execute(new MyThread());
            cache.get(0);
        }
        executorService.shutdown();
    }

    /** 线程任务每次向缓存中写入 3 个随机值,key 固定 */
    static class MyThread implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            Random random = new Random();
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                cache.put(i, random.nextInt(100));
            }
        }

    }

}

说明:示例中,通过线程池启动 20 个并发任务。任务每次向缓存中写入 3 个随机值,key 固定;然后主线程每次固定读取缓存中第一个 key 的值。

输出结果:

main 读数据 0:null
pool-1-thread-1 写入数据 0:16
pool-1-thread-1 写入数据 1:58
pool-1-thread-1 写入数据 2:50
main 读数据 0:16
pool-1-thread-1 写入数据 0:85
pool-1-thread-1 写入数据 1:76
pool-1-thread-1 写入数据 2:46
pool-1-thread-2 写入数据 0:21
pool-1-thread-2 写入数据 1:41
pool-1-thread-2 写入数据 2:63
main 读数据 0:21
main 读数据 0:21
// ...

4.3. ReentrantReadWriteLock 的原理

前面了解了 ReentrantLock 的原理,理解 ReentrantReadWriteLock 就容易多了。

ReentrantReadWriteLock 的数据结构

阅读 ReentrantReadWriteLock 的源码,可以发现它有三个核心字段:

/** Inner class providing readlock */
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
/** Inner class providing writelock */
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
/** Performs all synchronization mechanics */
final Sync sync;

public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }
  • sync - 内部类 ReentrantReadWriteLock.Sync 对象。与 ReentrantLock 类似,它有两个子类:ReentrantReadWriteLock.FairSyncReentrantReadWriteLock.NonfairSync ,分别表示公平锁和非公平锁的实现。
  • readerLock - 内部类 ReentrantReadWriteLock.ReadLock 对象,这是一把读锁。
  • writerLock - 内部类 ReentrantReadWriteLock.WriteLock 对象,这是一把写锁。

ReentrantReadWriteLock 的获取锁和释放锁

public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {

    // 调用 AQS 获取共享锁方法
    public void lock() {
        sync.acquireShared(1);
    }

    // 调用 AQS 释放共享锁方法
    public void unlock() {
        sync.releaseShared(1);
    }
}

public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {

    // 调用 AQS 获取独占锁方法
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    // 调用 AQS 释放独占锁方法
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
}

5. StampedLock

ReadWriteLock 支持两种模式:一种是读锁,一种是写锁。而 StampedLock 支持三种模式,分别是:写锁悲观读锁乐观读。其中,写锁、悲观读锁的语义和 ReadWriteLock 的写锁、读锁的语义非常类似,允许多个线程同时获取悲观读锁,但是只允许一个线程获取写锁,写锁和悲观读锁是互斥的。不同的是:StampedLock 里的写锁和悲观读锁加锁成功之后,都会返回一个 stamp;然后解锁的时候,需要传入这个 stamp。

注意这里,用的是“乐观读”这个词,而不是“乐观读锁”,是要提醒你,乐观读这个操作是无锁的,所以相比较 ReadWriteLock 的读锁,乐观读的性能更好一些。

StampedLock 的性能之所以比 ReadWriteLock 还要好,其关键是 StampedLock 支持乐观读的方式。

  • ReadWriteLock 支持多个线程同时读,但是当多个线程同时读的时候,所有的写操作会被阻塞;
  • 而 StampedLock 提供的乐观读,是允许一个线程获取写锁的,也就是说不是所有的写操作都被阻塞。

对于读多写少的场景 StampedLock 性能很好,简单的应用场景基本上可以替代 ReadWriteLock,但是StampedLock 的功能仅仅是 ReadWriteLock 的子集,在使用的时候,还是有几个地方需要注意一下。

  • StampedLock 不支持重入
  • StampedLock 的悲观读锁、写锁都不支持条件变量。
  • 如果线程阻塞在 StampedLock 的 readLock() 或者 writeLock() 上时,此时调用该阻塞线程的 interrupt() 方法,会导致 CPU 飙升。使用 StampedLock 一定不要调用中断操作,如果需要支持中断功能,一定使用可中断的悲观读锁 readLockInterruptibly() 和写锁 writeLockInterruptibly()

【示例】StampedLock 阻塞时,调用 interrupt() 导致 CPU 飙升

final StampedLock lock
  = new StampedLock();
Thread T1 = new Thread(()->{
  // 获取写锁
  lock.writeLock();
  // 永远阻塞在此处,不释放写锁
  LockSupport.park();
});
T1.start();
// 保证 T1 获取写锁
Thread.sleep(100);
Thread T2 = new Thread(()->
  // 阻塞在悲观读锁
  lock.readLock()
);
T2.start();
// 保证 T2 阻塞在读锁
Thread.sleep(100);
// 中断线程 T2
// 会导致线程 T2 所在 CPU 飙升
T2.interrupt();
T2.join();

【示例】StampedLock 读模板:

final StampedLock sl =
  new StampedLock();

// 乐观读
long stamp =
  sl.tryOptimisticRead();
// 读入方法局部变量
......
// 校验 stamp
if (!sl.validate(stamp)){
  // 升级为悲观读锁
  stamp = sl.readLock();
  try {
    // 读入方法局部变量
    .....
  } finally {
    // 释放悲观读锁
    sl.unlockRead(stamp);
  }
}
// 使用方法局部变量执行业务操作
......

【示例】StampedLock 写模板:

long stamp = sl.writeLock();
try {
  // 写共享变量
  ......
} finally {
  sl.unlockWrite(stamp);
}

6. AQS

AbstractQueuedSynchronizer(简称 AQS)是队列同步器,顾名思义,其主要作用是处理同步。它是并发锁和很多同步工具类的实现基石(如 ReentrantLockReentrantReadWriteLockCountDownLatchSemaphoreFutureTask 等)。

6.1. AQS 的要点

AQS 提供了对独享锁与共享锁的支持

java.util.concurrent.locks 包中的相关锁(常用的有 ReentrantLockReadWriteLock)都是基于 AQS 来实现。这些锁都没有直接继承 AQS,而是定义了一个 Sync 类去继承 AQS。为什么要这样呢?因为锁面向的是使用用户,而同步器面向的则是线程控制,那么在锁的实现中聚合同步器而不是直接继承 AQS 就可以很好的隔离二者所关注的事情。

6.2. AQS 的应用

AQS 提供了对独享锁与共享锁的支持

独享锁 API

获取、释放独享锁的主要 API 如下:

public final void acquire(int arg)
public final void acquireInterruptibly(int arg)
public final boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)
public final boolean release(int arg)
  • acquire - 获取独占锁。
  • acquireInterruptibly - 获取可中断的独占锁。
  • tryAcquireNanos - 尝试在指定时间内获取可中断的独占锁。在以下三种情况下回返回:
    • 在超时时间内,当前线程成功获取了锁;
    • 当前线程在超时时间内被中断;
    • 超时时间结束,仍未获得锁返回 false。
  • release - 释放独占锁。

共享锁 API

获取、释放共享锁的主要 API 如下:

public final void acquireShared(int arg)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
public final boolean releaseShared(int arg)
  • acquireShared - 获取共享锁。
  • acquireSharedInterruptibly - 获取可中断的共享锁。
  • tryAcquireSharedNanos - 尝试在指定时间内获取可中断的共享锁。
  • release - 释放共享锁。

6.3. AQS 的原理

ASQ 原理要点:

  • AQS 使用一个整型的 volatile 变量来 维护同步状态。状态的意义由子类赋予。
  • AQS 维护了一个 FIFO 的双链表,用来存储获取锁失败的线程。

AQS 围绕同步状态提供两种基本操作“获取”和“释放”,并提供一系列判断和处理方法,简单说几点:

  • state 是独占的,还是共享的;
  • state 被获取后,其他线程需要等待;
  • state 被释放后,唤醒等待线程;
  • 线程等不及时,如何退出等待。

至于线程是否可以获得 state,如何释放 state,就不是 AQS 关心的了,要由子类具体实现。

AQS 的数据结构

阅读 AQS 的源码,可以发现:AQS 继承自 AbstractOwnableSynchronize

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

    /** 等待队列的队头,懒加载。只能通过 setHead 方法修改。 */
    private transient volatile Node head;
    /** 等待队列的队尾,懒加载。只能通过 enq 方法添加新的等待节点。*/
    private transient volatile Node tail;
    /** 同步状态 */
    private volatile int state;
}
  • state - AQS 使用一个整型的 volatile 变量来 维护同步状态
    • 这个整数状态的意义由子类来赋予,如ReentrantLock 中该状态值表示所有者线程已经重复获取该锁的次数,Semaphore 中该状态值表示剩余的许可数量。
  • headtail - AQS 维护了一个 Node 类型(AQS 的内部类)的双链表来完成同步状态的管理。这个双链表是一个双向的 FIFO 队列,通过 headtail 指针进行访问。当 有线程获取锁失败后,就被添加到队列末尾

img

再来看一下 Node 的源码

static final class Node {
    /** 该等待同步的节点处于共享模式 */
    static final Node SHARED = new Node();
    /** 该等待同步的节点处于独占模式 */
    static final Node EXCLUSIVE = null;

    /** 线程等待状态,状态值有: 0、1、-1、-2、-3 */
    volatile int waitStatus;
    static final int CANCELLED =  1;
    static final int SIGNAL    = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;

    /** 前驱节点 */
    volatile Node prev;
    /** 后继节点 */
    volatile Node next;
    /** 等待锁的线程 */
    volatile Thread thread;

  	/** 和节点是否共享有关 */
    Node nextWaiter;
}

很显然,Node 是一个双链表结构。

  • waitStatus - Node 使用一个整型的 volatile 变量来 维护 AQS 同步队列中线程节点的状态。waitStatus 有五个状态值:
    • CANCELLED(1) - 此状态表示:该节点的线程可能由于超时或被中断而 处于被取消(作废)状态,一旦处于这个状态,表示这个节点应该从等待队列中移除。
    • SIGNAL(-1) - 此状态表示:后继节点会被挂起,因此在当前节点释放锁或被取消之后,必须唤醒(unparking)其后继结点。
    • CONDITION(-2) - 此状态表示:该节点的线程 处于等待条件状态,不会被当作是同步队列上的节点,直到被唤醒(signal),设置其值为 0,再重新进入阻塞状态。
    • PROPAGATE(-3) - 此状态表示:下一个 acquireShared 应无条件传播。
    • 0 - 非以上状态。

独占锁的获取和释放

获取独占锁

AQS 中使用 acquire(int arg) 方法获取独占锁,其大致流程如下:

  1. 先尝试获取同步状态,如果获取同步状态成功,则结束方法,直接返回。
  2. 如果获取同步状态不成功,AQS 会不断尝试利用 CAS 操作将当前线程插入等待同步队列的队尾,直到成功为止。
  3. 接着,不断尝试为等待队列中的线程节点获取独占锁。

img

img

详细流程可以用下图来表示,请结合源码来理解(一图胜千言):

img

释放独占锁

AQS 中使用 release(int arg) 方法释放独占锁,其大致流程如下:

  1. 先尝试获取解锁线程的同步状态,如果获取同步状态不成功,则结束方法,直接返回。
  2. 如果获取同步状态成功,AQS 会尝试唤醒当前线程节点的后继节点。
获取可中断的独占锁

AQS 中使用 acquireInterruptibly(int arg) 方法获取可中断的独占锁。

acquireInterruptibly(int arg) 实现方式相较于获取独占锁方法( acquire)非常相似,区别仅在于它会通过 Thread.interrupted 检测当前线程是否被中断,如果是,则立即抛出中断异常(InterruptedException)。

获取超时等待式的独占锁

AQS 中使用 tryAcquireNanos(int arg) 方法获取超时等待的独占锁。

doAcquireNanos 的实现方式 相较于获取独占锁方法( acquire)非常相似,区别在于它会根据超时时间和当前时间计算出截止时间。在获取锁的流程中,会不断判断是否超时,如果超时,直接返回 false;如果没超时,则用 LockSupport.parkNanos 来阻塞当前线程。

共享锁的获取和释放

获取共享锁

AQS 中使用 acquireShared(int arg) 方法获取共享锁。

acquireShared 方法和 acquire 方法的逻辑很相似,区别仅在于自旋的条件以及节点出队的操作有所不同。

成功获得共享锁的条件如下:

  • tryAcquireShared(arg) 返回值大于等于 0 (这意味着共享锁的 permit 还没有用完)。
  • 当前节点的前驱节点是头结点。
释放共享锁

AQS 中使用 releaseShared(int arg) 方法释放共享锁。

releaseShared 首先会尝试释放同步状态,如果成功,则解锁一个或多个后继线程节点。释放共享锁和释放独享锁流程大体相似,区别在于:

对于独享模式,如果需要 SIGNAL,释放仅相当于调用头节点的 unparkSuccessor

获取可中断的共享锁

AQS 中使用 acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法获取可中断的共享锁。

acquireSharedInterruptibly 方法与 acquireInterruptibly 几乎一致,不再赘述。

获取超时等待式的共享锁

AQS 中使用 tryAcquireSharedNanos(int arg) 方法获取超时等待式的共享锁。

tryAcquireSharedNanos 方法与 tryAcquireNanos 几乎一致,不再赘述。

7. 死锁

7.1. 什么是死锁

死锁是一种特定的程序状态,在实体之间,由于循环依赖导致彼此一直处于等待之中,没有任何个体可以继续前进。死锁不仅仅是在线程之间会发生,存在资源独占的进程之间同样也 可能出现死锁。通常来说,我们大多是聚焦在多线程场景中的死锁,指两个或多个线程之间,由于互相持有对方需要的锁,而永久处于阻塞的状态。

7.2. 如何定位死锁

定位死锁最常见的方式就是利用 jstack 等工具获取线程栈,然后定位互相之间的依赖关系,进而找到死锁。如果是比较明显的死锁,往往 jstack 等就能直接定位,类似 JConsole 甚至可以在图形界面进行有限的死锁检测。

如果我们是开发自己的管理工具,需要用更加程序化的方式扫描服务进程、定位死锁,可以考虑使用 Java 提供的标准管理 API,ThreadMXBean,其直接就提供了 findDeadlockedThreads() 方法用于定位。

7.3. 如何避免死锁

基本上死锁的发生是因为:

  • 互斥,类似 Java 中 Monitor 都是独占的。
  • 长期保持互斥,在使用结束之前,不会释放,也不能被其他线程抢占。
  • 循环依赖,多个个体之间出现了锁的循环依赖,彼此依赖上一环释放锁。

由此,我们可以分析出避免死锁的思路和方法。

(1)避免一个线程同时获取多个锁。

避免一个线程在锁内同时占用多个资源,尽量保证每个锁只占用一个资源。

尝试使用定时锁 lock.tryLock(timeout),避免锁一直不能释放。

对于数据库锁,加锁和解锁必须在一个数据库连接中里,否则会出现解锁失败的情况。

8. 参考资料

关注公众号:java宝典 a

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