Java理论与实践: JDK 5.0中更灵活、更具可伸缩性的锁定机制

JDK 5.0为开发人员开发高性能的并发应用程序提供了一些很有效的新选择。例如, java.util.concurrent.lock 中的类 ReentrantLock 被作为 Java 语言中 synchronized 功能的替代,它具有相同的内存语义、相同的锁定,但在争用条件下却有更好的性能,此外,它还有 synchronized 没有提供的其他特性。这是否意味着我们应当忘记 synchronized ,转而只用 ReentrantLock 呢?并发性专家 Brian Goetz 刚从他的夏季休假中返回,他将为我们提供答案。

多线程和并发性并不是什么新内容,但是 Java 语言设计中的创新之一就是,它是第一个直接把跨平台线程模型和正规的内存模型集成到语言中的主流语言。核心类库包含一个 Thread 类,可以用它来构建、启动和操纵线程,Java 语言包括了跨线程传达并发性约束的构造 —— synchronized 和 volatile 。在简化与平台无关的并发类的开发的同时,它决没有使并发类的编写工作变得更繁琐,只是使它变得更容易了。

synchronized 快速回顾

把代码块声明为 synchronized,有两个重要后果,通常是指该代码具有 原子性(atomicity)和 可见性(visibility)。原子性意味着一个线程一次只能执行由一个指定监控对象(lock)保护的代码,从而防止多个线程在更新共享状态时相互冲突。可见性则更为微妙;它要对付内存缓存和编译器优化的各种反常行为。一般来说,线程以某种不必让其他线程立即可以看到的方式(不管这些线程在寄存器中、在处理器特定的缓存中,还是通过指令重排或者其他编译器优化),不受缓存变量值的约束,但是如果开发人员使用了同步,如下面的代码所示,那么运行库将确保某一线程对变量所做的更新先于对现有 synchronized 块所进行的更新,当进入由同一监控器(lock)保护的另一个 synchronized 块时,将立刻可以看到这些对变量所做的更新。类似的规则也存在于 volatile 变量上。(有关同步和 Java 内存模型的内容,请参阅 参考资料。)

synchronized (lockObject) {
 // update object state
}

所以,实现同步操作需要考虑安全更新多个共享变量所需的一切,不能有争用条件,不能破坏数据(假设同步的边界位置正确),而且要保证正确同步的其他线程可以看到这些变量的最新值。通过定义一个清晰的、跨平台的内存模型(该模型在 JDK 5.0 中做了修改,改正了原来定义中的某些错误),通过遵守下面这个简单规则,构建“一次编写,随处运行”的并发类是有可能的:

不论什么时候,只要您将编写的变量接下来可能被另一个线程读取,或者您将读取的变量最后是被另一个线程写入的,那么您必须进行同步。

不过现在好了一点,在最近的 JVM 中,没有争用的同步(一个线程拥有锁的时候,没有其他线程企图获得锁)的性能成本还是很低的。(也不总是这样;早期 JVM 中的同步还没有优化,所以让很多人都这样认为,但是现在这变成了一种误解,人们认为不管是不是争用,同步都有很高的性能成本。)

对 synchronized 的改进

如此看来同步相当好了,是么?那么为什么 JSR 166 小组花了这么多时间来开发 java.util.concurrent.lock 框架呢?答案很简单-同步是不错,但它并不完美。它有一些功能性的限制 —— 它无法中断一个正在等候获得锁的线程,也无法通过投票得到锁,如果不想等下去,也就没法得到锁。同步还要求锁的释放只能在与获得锁所在的堆栈帧相同的堆栈帧中进行,多数情况下,这没问题(而且与异常处理交互得很好),但是,确实存在一些非块结构的锁定更合适的情况。

ReentrantLock 类

java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象,它允许把锁定的实现作为 Java 类,而不是作为语言的特性来实现。这就为 Lock 的多种实现留下了空间,各种实现可能有不同的调度算法、性能特性或者锁定语义。 ReentrantLock 类实现了 Lock ,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外,它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。(换句话说,当许多线程都想访问共享资源时,JVM 可以花更少的时候来调度线程,把更多时间用在执行线程上。)

reentrant 锁意味着什么呢?简单来说,它有一个与锁相关的获取计数器,如果拥有锁的某个线程再次得到锁,那么获取计数器就加1,然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。这模仿了 synchronized 的语义;如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块,就允许线程继续进行,当线程退出第二个(或者后续) synchronized 块的时候,不释放锁,只有线程退出它进入的监控器保护的第一个 synchronized 块时,才释放锁。

在查看清单 1 中的代码示例时,可以看到 Lock 和 synchronized 有一点明显的区别 —— lock 必须在 finally 块中释放。否则,如果受保护的代码将抛出异常,锁就有可能永远得不到释放!这一点区别看起来可能没什么,但是实际上,它极为重要。忘记在 finally 块中释放锁,可能会在程序中留下一个定时炸弹,当有一天炸弹爆炸时,您要花费很大力气才有找到源头在哪。而使用同步,JVM 将确保锁会获得自动释放。

时间: 2025-01-01 09:09:49

Java理论与实践: JDK 5.0中更灵活、更具可伸缩性的锁定机制的相关文章

Java 理论与实践: JDK 5.0 中更灵活、更具可伸缩性的锁定机制

伸缩 内容: synchronized 快速回顾 对 synchronized 的改进 比较 ReentrantLock 和 synchronized 的可伸缩性 条件变量 这不公平 结束语 参考资料 关于作者 对本文的评价 相关内容: Java 理论与实践 系列 Synchronization is not the enemy Reducing contention IBM developer kits for the Java platform (downloads) 订阅: develop

Java理论与实践专题

Java理论与实践: JDK 5.0中更灵活.更具可伸缩性的锁定机制 Java理论和实践: 一个有缺陷的微基准的剖析 Java理论和实践: 理解JTS ― 平衡安全性和性能 Java理论和实践: 理解JTS ― 幕后魔术 Java理论和实践: 安全构造技术 Java理论与实践: 平衡测试,第3部分:用方面检验设计约束 Java理论与实践:平衡测试,第2部分:编写和优化bug检测器 Java理论与实践:平衡测试,第1部分:不要仅编写测试,还要编写bu Java理论与实践: 您的小数点到哪里去了?

Java理论和实践: 一个有缺陷的微基准的剖析

即使性能不是当前项目的一个关键需求,甚至没有被标明为一个需求,通常也难于忽略性能问题,因为您可能会认为忽略性能问题将使自己成为"差劲的工程师".开发人员在以编写高性能代码为目标的时候,常常会编写小的基准程序来度量一种方法相对于另一种方法的性能.不幸的是,正如您在 December 撰写的 "动态编译与性能测量" 这期文章中所看到的,与其他静态编译的语言相比,评论用 Java 语言编写的给定惯用法(idiom)或结构体的性能要困难得多. 一个有缺陷的微基准 在我发表了

Java理论与实践: 消除bug

很多有关编程风格的建议都是为了创建高质量.可维护的代码,这很合理, 因为最容易修复 bug 的时间就是在产生 bug 之前(少量的预防措施--).遗 憾的是,只预防往往是不够的,虽然有一些精巧的工具可以帮助您创建好的代码 ,但是很少有工具可以帮助您分析.维护或提高现有代码的质量. 写线程安全的类很难,而分析现有类的线程安全性更难,增强类使其仍然保 持线程安全也很难.以隐含假定.不变式以及预期用例(虽然在开发人员的头脑 中很清晰,但是没有以设计笔记.注释或者文档的方式记录下来)的方式编写完 类之后

Java 理论和实践: 了解泛型 识别和避免学习使用泛型过程中的陷阱

简介: JDK 5.0 中增加的泛型类型,是 Java 语言中类型安全的一次重要改进.但是,对于初次使用泛型类型的用户来说,泛型的某些方面看起来可能不容易明白,甚至非常奇怪.在本月的"Java 理论和实践"中,Brian Goetz 分析了束缚第一次使用泛型的用户的常见陷阱.您可以通过 讨论论坛与作者和其他读者分享您对本文的看法.(也可以单击本文顶端或底端的 讨论来访问这个论坛.) 表面上看起来,无论语法还是应用的环境(比如容器类),泛型类型(或者泛型)都类似于 C++ 中的模板.但是

Java理论和实践: 安全构造技术

Java 语言提供了灵活的.看上去很简单的线程功能,使得您很容易在您的应用程序中使用多线程.然而,Java应用程序中的并发编程比看上去要复杂:在 Java 程序中,有一些微妙(也许并不是那么微妙)方式会造成数据争用(data race)以及并发问题.在这篇 Java 理论和实践中,Brian探讨了一个常见的线程方面的危险:在构造过程中,允许 this 引用逃脱(escape).这个看上去没有什么危害的做法可以在 Java 程序中造成无法可预料和不期望的结果. 测试和调试多线程程序是极其困难的,因

Java 理论与实践: 非阻塞算法简介

[本文转载自Java 理论与实践: 非阻塞算法简介]Java 5.0 第一次让使用 Java 语言开发非阻塞算法成为可能,java.util.concurrent 包充分地利用了这个功能.非阻塞算法属于并发算法,它们可以安全地派生它们的线程,不通过锁定派生,而是通过低级的原子性的硬件原生形式 -- 例如比较和交换.非阻塞算法的设计与实现极为困难,但是它们能够提供更好的吞吐率,对生存问题(例如死锁和优先级反转)也能提供更好的防御.在这期的 Java 理论与实践 中,并发性大师 Brian Goet

Java 理论与实践: 处理 InterruptedException(转)

  很多 Java 语言方法,例如 Thread.sleep() 和 Object.wait(),都可以抛出InterruptedException.您不能忽略这个异常,因为它是一个检查异常(checked exception).但是应该如何处理它呢?在本月的 Java 理论与实践中,并发专家 Brian Goetz 将解释 InterruptedException 的含义,为什么会抛出 InterruptedException,以及在捕捉到该异常时应该怎么做. 这样的情景您也许并不陌生:您在编

Java 理论与实践:变还是不变?

不变对象具有许多能更方便地使用它们的特性,包括不严格的同步需求和不必考虑数据讹误就能自由地共享和高速缓存对象引用.尽管不变性可能未必对于所有类都有意义,但大多数程序中至少有一些类将受益于不可变.在本月的 Java 理论与实践中,Brian Goetz 说明了不变性的一些长处和构造不变类的一些准则.请在附带的论坛中与作者和其他读者分享您关于本文的心得.(也可以单击文章顶部或底部的"讨论"来访问论坛.) 不变对象是指在实例化后其外部可见状态无法更改的对象.Java 类库中的 String.