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并发编程 :Concurrent 用户指南 ( 下 )

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (01-26) 73次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

20. 锁 Lock

java.util.concurrent.locks.Lock 是一个类似于 synchronized 块的线程同步机制。但是 Lock 比 synchronized 块更加灵活、精细。顺便说一下,在我的《Java 并发指南》中我对如何实现你自己的锁进行了描述。


Java Lock 例子

既然 Lock 是一个接口,在你的程序里需要使用它的实现类之一来使用它。以下是一个简单示例:

Lock lock = new ReentrantLock();  
 
lock.lock();  
 
//critical section  
 
lock.unlock();

首先创建了一个 Lock 对象。之后调用了它的 lock() 方法。这时候这个 lock 实例就被锁住啦。任何其他再过来调用 lock() 方法的线程将会被阻塞住,直到锁定 lock 实例的线程调用了 unlock() 方法。最后 unlock() 被调用了,lock 对象解锁了,其他线程可以对它进行锁定了。

Java Lock 实现

java.util.concurrent.locks 包提供了以下对 Lock 接口的实现类:

  • ReentrantLock

Lock 和 synchronized 代码块的主要不同点

一个 Lock 对象和一个 synchronized 代码块之间的主要不同点是:

  • synchronized 代码块不能够保证进入访问等待的线程的先后顺序。
  • 你不能够传递任何参数给一个 synchronized 代码块的入口。因此,对于 synchronized 代码块的访问等待设置超时时间是不可能的事情。
  • synchronized 块必须被完整地包含在单个方法里。而一个 Lock 对象可以把它的 lock() 和 unlock() 方法的调用放在不同的方法里。

Lock 的方法

Lock 接口具有以下主要方法:

  • lock()
  • lockInterruptibly()
  • tryLock()
  • tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit)
  • unlock()

lock() 将 Lock 实例锁定。如果该 Lock 实例已被锁定,调用 lock() 方法的线程将会阻塞,直到 Lock 实例解锁。

lockInterruptibly() 方法将会被调用线程锁定,除非该线程被打断。此外,如果一个线程在通过这个方法来锁定 Lock 对象时进入阻塞等待,而它被打断了的话,该线程将会退出这个方法调用。

tryLock() 方法试图立即锁定 Lock 实例。如果锁定成功,它将返回 true,如果 Lock 实例已被锁定该方法返回 false。这一方法永不阻塞。tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit) 的工作类似于 tryLock() 方法,除了它在放弃锁定 Lock 之前等待一个给定的超时时间之外。

unlock() 方法对 Lock 实例解锁。一个 Lock 实现将只允许锁定了该对象的线程来调用此方法。其他(没有锁定该 Lock 对象的线程)线程对 unlock() 方法的调用将会抛一个未检查异常(RuntimeException)。

21. 读写锁 ReadWriteLock

java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock 读写锁是一种先进的线程锁机制。它能够允许多个线程在同一时间对某特定资源进行读取,但同一时间内只能有一个线程对其进行写入。

读写锁的理念在于多个线程能够对一个共享资源进行读取,而不会导致并发问题。并发问题的发生场景在于对一个共享资源的读和写操作的同时进行,或者多个写操作并发进行。

本节只讨论 Java 内置 ReadWriteLock。如果你想了解 ReadWriteLock 背后的实现原理,请参考我的《Java 并发指南》主题中的《读写锁》小节。

ReadWriteLock 锁规则

一个线程在对受保护资源在读或者写之前对 ReadWriteLock 锁定的规则如下:

  • 读锁:如果没有任何写操作线程锁定 ReadWriteLock,并且没有任何写操作线程要求一个写锁(但还没有获得该锁)。因此,可以有多个读操作线程对该锁进行锁定。
  • 写锁:如果没有任何读操作或者写操作。因此,在写操作的时候,只能有一个线程对该锁进行锁定。

ReadWriteLock 实现

ReadWriteLock 是个接口,如果你想用它的话就得去使用它的实现类之一。java.util.concurrent.locks 包提供了 ReadWriteLock 接口的以下实现类:

  • ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock 代码示例

以下是 ReadWriteLock 的创建以及如何使用它进行读、写锁定的简单示例代码:

ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();  
 
 
readWriteLock.readLock().lock();  
 
    // multiple readers can enter this section  
    // if not locked for writing, and not writers waiting  
    // to lock for writing.  
 
readWriteLock.readLock().unlock();  
 
 
readWriteLock.writeLock().lock();  
 
    // only one writer can enter this section,  
    // and only if no threads are currently reading.  
 
readWriteLock.writeLock().unlock();

注意如何使用 ReadWriteLock 对两种锁实例的持有。一个对读访问进行保护,一个队写访问进行保护。

22. 原子性布尔 AtomicBoolean

AtomicBoolean 类为我们提供了一个可以用原子方式进行读和写的布尔值,它还拥有一些先进的原子性操作,比如 compareAndSet()。AtomicBoolean 类位于 java.util.concurrent.atomic 包,完整类名是为 java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean。本小节描述的 AtomicBoolean 是 Java 8 版本里的,而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicBoolean 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicBoolean

你可以这样创建一个 AtomicBoolean:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean();

以上示例新建了一个默认值为 false 的 AtomicBoolean。如果你想要为 AtomicBoolean 实例设置一个显式的初始值,那么你可以将初始值传给 AtomicBoolean 的构造子:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);

获取 AtomicBoolean 的值

你可以通过使用 get() 方法来获取一个 AtomicBoolean 的值。示例如下:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  
 
boolean value = atomicBoolean.get();

以上代码执行后 value 变量的值将为 true。

设置 AtomicBoolean 的值

你可以通过使用 set() 方法来设置一个 AtomicBoolean 的值。
示例如下:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  
 
atomicBoolean.set(false);

以上代码执行后 AtomicBoolean 的值为 false。

交换 AtomicBoolean 的值

你可以通过 getAndSet() 方法来交换一个 AtomicBoolean 实例的值。getAndSet() 方法将返回 AtomicBoolean 当前的值,并将为 AtomicBoolean 设置一个新值。示例如下:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  
 
boolean oldValue = atomicBoolean.getAndSet(false);

以上代码执行后 oldValue 变量的值为 true,atomicBoolean 实例将持有 false 值。代码成功将 AtomicBoolean 当前值 ture 交换为 false。

比较并设置 AtomicBoolean 的值

compareAndSet() 方法允许你对 AtomicBoolean 的当前值与一个期望值进行比较,如果当前值等于期望值的话,将会对 AtomicBoolean 设定一个新值。compareAndSet() 方法是原子性的,因此在同一时间之内有单个线程执行它。因此 compareAndSet() 方法可被用于一些类似于锁的同步的简单实现。以下是一个 compareAndSet() 示例:

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  
 
boolean expectedValue = true;  
boolean newValue      = false;  
 
boolean wasNewValueSet = atomicBoolean.compareAndSet(  
    expectedValue, newValue);

本示例对 AtomicBoolean 的当前值与 true 值进行比较,如果相等,将 AtomicBoolean 的值更新为 false。

23. 原子性整型 AtomicInteger

AtomicInteger 类为我们提供了一个可以进行原子性读和写操作的 int 变量,它还包含一系列先进的原子性操作,比如 compareAndSet()。AtomicInteger 类位于 java.util.concurrent.atomic 包,因此其完整类名为 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger。本小节描述的 AtomicInteger 是 Java 8 版本里的,而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicInteger 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicInteger

创建一个 AtomicInteger 示例如下:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

本示例将创建一个初始值为 0 的 AtomicInteger。如果你想要创建一个给定初始值的 AtomicInteger,你可以这样:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);

本示例将 123 作为参数传给 AtomicInteger 的构造子,它将设置 AtomicInteger 实例的初始值为 123。

获取 AtomicInteger 的值

你可以使用 get() 方法获取 AtomicInteger 实例的值。示例如下:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);
 
int theValue = atomicInteger.get();

设置 AtomicInteger 的值

你可以通过 set() 方法对 AtomicInteger 的值进行重新设置。以下是 AtomicInteger.set() 示例:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  
 
atomicInteger.set(234);

以上示例创建了一个初始值为 123 的 AtomicInteger,而在第二行将其值更新为 234。

比较并设置 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 类也通过了一个原子性的 compareAndSet() 方法。这一方法将 AtomicInteger 实例的当前值与期望值进行比较,如果二者相等,为 AtomicInteger 实例设置一个新值。AtomicInteger.compareAndSet() 代码示例:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  
 
int expectedValue = 123;  
int newValue      = 234;  
atomicInteger.compareAndSet(expectedValue, newValue);

本示例首先新建一个初始值为 123 的 AtomicInteger 实例。然后将 AtomicInteger 与期望值 123 进行比较,如果相等,将 AtomicInteger 的值更新为 234。

增加 AtomicInteger 值

AtomicInteger 类包含有一些方法,通过它们你可以增加 AtomicInteger 的值,并获取其值。这些方法如下:

  • addAndGet()
  • getAndAdd()
  • getAndIncrement()
  • incrementAndGet()

第一个 addAndGet() 方法给 AtomicInteger 增加了一个值,然后返回增加后的值。getAndAdd() 方法为 AtomicInteger 增加了一个值,但返回的是增加以前的 AtomicInteger 的值。具体使用哪一个取决于你的应用场景。以下是这两种方法的示例:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  
 
 
System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(10));  
System.out.println(atomicInteger.addAndGet(10));

本示例将打印出 0 和 20。例子中,第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicInteger 的值。加 10 之前的值是 0。第三行将 AtomicInteger 的值再加 10,并返回加操作之后的值。该值现在是为 20。你当然也可以使用这俩方法为 AtomicInteger 添加负值。结果实际是一个减法操作。getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法类似于 getAndAdd() 和 addAndGet(),但每次只将 AtomicInteger 的值加 1。

减小 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 类还提供了一些减小 AtomicInteger 的值的原子性方法。这些方法是:

  • decrementAndGet()
  • getAndDecrement()

decrementAndGet() 将 AtomicInteger 的值减一,并返回减一后的值。getAndDecrement() 也将 AtomicInteger 的值减一,但它返回的是减一之前的值。

24. 原子性长整型 AtomicLong

AtomicLong 类为我们提供了一个可以进行原子性读和写操作的 long 变量,它还包含一系列先进的原子性操作,比如 compareAndSet()AtomicLong 类位于 java.util.concurrent.atomic 包,因此其完整类名为 java.util.concurrent.atomic.AtomicLong。本小节描述的 AtomicLong 是 Java 8 版本里的,而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicLong 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicLong

创建一个 AtomicLong 如下:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();

将创建一个初始值为 0 的 AtomicLong。如果你想创建一个指定初始值的 AtomicLong,可以:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);

本示例将 123 作为参数传递给 AtomicLong 的构造子,后者将 AtomicLong 实例的初始值设置为 123。

获取 AtomicLong 的值

你可以通过 get() 方法获取 AtomicLong 的值。AtomicLong.get() 示例:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);
 
long theValue = atomicLong.get();

设置 AtomicLong 的值

你可以通过 set() 方法设置 AtomicLong 实例的值。一个 AtomicLong.set() 的示例:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  
 
atomicLong.set(234);

本示例新建了一个初始值为 123 的 AtomicLong,第二行将其值设置为 234。

比较并设置 AtomicLong 的值

AtomicLong 类也有一个原子性的 compareAndSet() 方法。这一方法将 AtomicLong 实例的当前值与一个期望值进行比较,如果两种相等,为 AtomicLong 实例设置一个新值。AtomicLong.compareAndSet() 使用示例:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  
 
long expectedValue = 123;  
long newValue      = 234;  
atomicLong.compareAndSet(expectedValue, newValue);

本示例新建了一个初始值为 123 的 AtomicLong。然后将 AtomicLong 的当前值与期望值 123 进行比较,如果相等的话,AtomicLong 的新值将变为 234。

增加 AtomicLong 值

AtomicLong 具备一些能够增加 AtomicLong 的值并返回自身值的方法。这些方法如下:

  • addAndGet()
  • getAndAdd()
  • getAndIncrement()
  • incrementAndGet()

第一个方法 addAndGet() 将 AtomicLong 的值加一个数字,并返回增加后的值。第二个方法 getAndAdd() 也将 AtomicLong 的值加一个数字,但返回的是增加前的 AtomicLong 的值。具体使用哪一个取决于你自己的场景。示例如下:

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();  
 
 
System.out.println(atomicLong.getAndAdd(10));  
System.out.println(atomicLong.addAndGet(10));

本示例将打印出 0 和 20。例子中,第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicLong 的值。加 10 之前的值是 0。第三行将 AtomicLong 的值再加 10,并返回加操作之后的值。该值现在是为 20。你当然也可以使用这俩方法为 AtomicLong 添加负值。结果实际是一个减法操作。getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法类似于 getAndAdd() 和 addAndGet(),但每次只将 AtomicLong 的值加 1。

减小 AtomicLong 的值

AtomicLong 类还提供了一些减小 AtomicLong 的值的原子性方法。这些方法是:

  • decrementAndGet()
  • getAndDecrement()

decrementAndGet() 将 AtomicLong 的值减一,并返回减一后的值。getAndDecrement() 也将 AtomicLong 的值减一,但它返回的是减一之前的值。

25. 原子性引用型 AtomicReference

AtomicReference 提供了一个可以被原子性读和写的对象引用变量。原子性的意思是多个想要改变同一个 AtomicReference 的线程不会导致 AtomicReference 处于不一致的状态。AtomicReference 还有一个 compareAndSet() 方法,通过它你可以将当前引用于一个期望值(引用)进行比较,如果相等,在该 AtomicReference 对象内部设置一个新的引用。

创建一个 AtomicReference

创建 AtomicReference 如下:

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();

如果你需要使用一个指定引用创建 AtomicReference,可以:

String initialReference = “the initially referenced string”;  
AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(initialReference);

创建泛型 AtomicReference

你可以使用 Java 泛型来创建一个泛型 AtomicReference。示例:

AtomicReference<String> atomicStringReference =  
    new AtomicReference<String>();

你也可以为泛型 AtomicReference 设置一个初始值。示例:

String initialReference = “the initially referenced string”;  
AtomicReference<String> atomicStringReference =  
    new AtomicReference<String>(initialReference);

获取 AtomicReference 引用

你可以通过 AtomicReference 的 get() 方法来获取保存在 AtomicReference 里的引用。如果你的 AtomicReference 是非泛型的,get() 方法将返回一个 Object 类型的引用。如果是泛型化的,get() 将返回你创建 AtomicReference 时声明的那个类型。先来看一个非泛型的 AtomicReference get() 示例:

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(“first value referenced”);  
 
String reference = (String) atomicReference.get();

注意如何对 get() 方法返回的引用强制转换为 String。泛型化的 AtomicReference 示例:

AtomicReference<String> atomicReference =   
     new AtomicReference<String>(“first value referenced”);  
 
String reference = atomicReference.get();

编译器知道了引用的类型,所以我们无需再对 get() 返回的引用进行强制转换了。

设置 AtomicReference 引用

你可以使用 get() 方法对 AtomicReference 里边保存的引用进行设置。如果你定义的是一个非泛型 AtomicReference,set() 将会以一个 Object 引用作为参数。如果是泛型化的 AtomicReference,set() 方法将只接受你定义给的类型。AtomicReference set() 示例:

     new AtomicReference();  
 
atomicReference.set(“New object referenced”);

这个看起来非泛型和泛型化的没啥区别。真正的区别在于编译器将对你能够设置给一个泛型化的 AtomicReference 参数类型进行限制。

比较并设置 AtomicReference 引用

AtomicReference 类具备了一个很有用的方法:compareAndSet()。compareAndSet() 可以将保存在 AtomicReference 里的引用于一个期望引用进行比较,如果两个引用是一样的(并非 equals() 的相等,而是 == 的一样),将会给 AtomicReference 实例设置一个新的引用。

如果 compareAndSet() 为 AtomicReference 设置了一个新的引用,compareAndSet() 将返回 true。否则 compareAndSet() 返回 false。AtomicReference compareAndSet() 示例:

String initialReference = “initial value referenced”;  
 
AtomicReference<String> atomicStringReference =  
    new AtomicReference<String>(initialReference);  
 
String newReference = “new value referenced”;  
boolean exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);  
System.out.println(“exchanged: ” + exchanged);  
 
exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);  
System.out.println(“exchanged: ” + exchanged);

本示例创建了一个带有一个初始引用的泛型化的 AtomicReference。之后两次调用 comparesAndSet()来对存储值和期望值进行对比,如果二者一致,为 AtomicReference 设置一个新的引用。第一次比较,存储的引用(initialReference)和期望的引用(initialReference)一致,所以一个新的引用(newReference)被设置给 AtomicReference,compareAndSet() 方法返回 true。第二次比较时,存储的引用(newReference)和期望的引用(initialReference)不一致,因此新的引用没有被设置给 AtomicReference,compareAndSet() 方法返回 false。


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