Java基礎——同步與鎖

Java基礎——同步與鎖

volatile

特色:

1. 提供一種輕量級的同步機制，沒有線程調度和上下文切換的開銷。
2. 保證變量在多個線程之間的可見性（共享），強制變量的讀寫操做都在主存上進行，而不是在寄存器或CPU緩存上，使變量的修改能夠被全部線程看到。
3. volatile變量不保證原子性，所以，同步操做仍是須要經過鎖機制來實現。

不適用的場景:

場景一：變量用於非原子的操做

private volatile int count;

public void increment() {
    count++;
}

++操做不是原子操做，volatile不能保證數據的原子性。若是須要原子的讀寫操做，可使用concurrent包裏的AtomicXxx類。

場景二：變量與其它變量在一個不變式條件中（以下：lower < upper是一個不變式）

public class NumberRange {
	private int lower, upper;

	public int getLower() { return lower; }
	public int getUpper() { return upper; }

	public void setLower(int value) { 
    	if (value > upper) 
        	throw new IllegalArgumentException(...);
    	lower = value;
	}

	public void setUpper(int value) { 
    	if (value < lower) 
        	throw new IllegalArgumentException(...);
    	upper = value;
	}
}

多線程狀況下，若是兩個線程同時修改lower和upper，這時候即便是volatile也不能保證lower < upper這個不變式始終成立。

場景三：變量須要加鎖訪問的狀況，由於已經用了鎖，volatile顯然是多餘的。

CAS

特色:

1. 一種輕量級的鎖，基於硬件CPU指令實現。這是一種樂觀鎖，假設不會產生衝突而不加鎖地進行操做，若是操做失敗就不停地重試，直到操做成功。是一種非阻塞的機制。

2. 原理：提供3個操做數，分別是內存位置V，原有的預期值A，要修改的新值B，只有當A=V時，才把V的值修改成B，不然，一直重試，直到成功。

   public final int incrementAndGet() {
    	for (;;) {
        	int current = get();
        	int next = current + 1;
        	if (compareAndSet(current, next))
            	return next;
    	}
    }

問題:

1. ABA的問題：大部分場景下（關注值的最終結果，不關注過程），咱們不須要關心這個問題。
2. 循環開銷問題：若是CAS操做一直失敗，會長時間佔用cpu資源。

synchronized

特色:

1. jvm的內置的鎖機制，重量級的鎖，獨佔鎖，悲觀鎖，可重入鎖。
2. 做用於代碼塊，自動釋放鎖。
3. 使用簡單，jvm自己作了不少優化。（優先仍是要使用這個鎖）

ReentrantLock

特色:

1. 提供與synchronized相同的互斥性和內存可見性。重量級鎖，獨佔鎖，悲觀鎖。
2. 比synchronized有更靈活的加鎖機制。可定時，可輪詢，可中斷，公平性選擇。 ps:在一些併發訪問的業務場景下，能夠用ReentrantLock來靈活地控制併發操做，其可中斷的特色能夠很好地控制多線程併發的擁堵問題。
3. 必須在finally中手動釋放鎖。

ReentrantReadWriteLock

特色:

1. 無論是synchronized仍是ReentrantLock，都是強類型的互斥鎖，併發狀況下的性能會受影響。可是在一些應用場景下，可能讀操做要多於寫操做，在沒有寫操做的時候，若是用這種強互斥鎖的話，會嚴重影響讀線程的性能。因此能夠考慮用ReentrantReadWriteLock來代替上面的強互斥鎖，讓多個讀線程能夠併發地訪問被保護的對象，提升吞吐量。PS:能夠在LinkedHashMap上使用ReentrantReadWriteLock來實現高性能的LRU Cache.

2. 另一種讀寫鎖的實現是經過volatile（保證讀可見） + synchronized（保證寫原子性）來實現。

鎖優化和使用

1. 儘可能縮小鎖定的範圍（好比synchronized，能指定代碼塊就不要在方法上加鎖，儘可能只包含須要受保護的對象的操做）。
2. 鎖分離技術，把須要受保護的對象拆分紅多個小對象，每一個小對象都由獨立的鎖來保護。（能夠參考ConcurrentHashMap）
3. 從性能上來講：volatile > cas > synchronized，因此在合適的場景下能夠選擇性能更好的方案。

參考資料:

1. 《java併發編程實戰》
2. http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

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