java多线程系类：JUC锁：01之框架

2023年6月19日 312次阅读 来源: JUC

本章，我们介绍锁的架构；后面的章节将会对它们逐个进行分析介绍。目录如下：
01. Java多线程系列–“JUC锁”01之 框架
02. Java多线程系列–“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock
03. Java多线程系列–“JUC锁”03之 公平锁(一) 
04. Java多线程系列–“JUC锁”04之 公平锁(二) 
05. Java多线程系列–“JUC锁”05之 非公平锁 
06. Java多线程系列–“JUC锁”06之 Condition条件
07. Java多线程系列–“JUC锁”07之 LockSupport
08. Java多线程系列–“JUC锁”08之 共享锁和ReentrantReadWriteLock 
09. Java多线程系列–“JUC锁”09之 CountDownLatch原理和示例
10. Java多线程系列–“JUC锁”10之 CyclicBarrier原理和示例
11. Java多线程系列–“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例

 

根据锁的添加到Java中的时间，Java中的锁，可以分为”同步锁“和”JUC包中的锁“。

同步锁

　　即通过synchronized关键字来进行同步，实现对竞争资源的互斥访问的锁。Java 1.0版本中就已经支持同步锁了。

　　同步锁的原理是，对于每一个对象，有且仅有一个同步锁；不同的线程能共同访问该同步锁。但是，在同一个时间点，该同步锁能且只能被一个线程获取到。这样，获取到同步锁的线程就能进行CPU调度，从而在CPU上执行；而没有获取到同步锁的线程，必须进行等待，直到获取到同步锁之后才能继续运行。这就是，多线程通过同步锁进行同步的原理！

　　关于”同步锁”的更多内容，请参考”Java锁的基础部分“的内容。

 

JUC包中的锁 

　　相比同步锁，JUC包中的锁的功能更加强大，它为锁提供了一个框架，该框架允许更灵活地使用锁，只是它的用法更难罢了。

　　JUC包中的锁，包括：Lock接口，ReadWriteLock接口，LockSupport阻塞原语，Condition条件，AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer三个抽象类，ReentrantLock独占锁，ReentrantReadWriteLock读写锁。由于CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore也是通过AQS来实现的；因此，我也将它们归纳到锁的框架中进行介绍。

　　先看看锁的框架图，如下所示。

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》

01. Lock接口

　　JUC包中的 Lock 接口支持那些语义不同(重入、公平等)的锁规则。所谓语义不同，是指锁可是有”公平机制的锁”、”非公平机制的锁”、”可重入的锁”等等。”公平机制”是指”不同线程获取锁的机制是公平的”，而”非公平机制”则是指”不同线程获取锁的机制是非公平的”，”可重入的锁”是指同一个锁能够被一个线程多次获取。

 

02. ReadWriteLock

　　ReadWriteLock 接口以和Lock类似的方式定义了一些读取者可以共享而写入者独占的锁。JUC包只有一个类实现了该接口，即 ReentrantReadWriteLock，因为它适用于大部分的标准用法上下文。但程序员可以创建自己的、适用于非标准要求的实现。

 

03. AbstractOwnableSynchronizer/AbstractQueuedSynchronizer/AbstractQueuedLongSynchronizer
　　AbstractQueuedSynchronizer就是被称之为AQS的类，它是一个非常有用的超类，可用来定义锁以及依赖于排队阻塞线程的其他同步器；ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock，CountDownLatch，CyclicBarrier和Semaphore等这些类都是基于AQS类实现的。AbstractQueuedLongSynchronizer 类提供相同的功能但扩展了对同步状态的 64 位的支持。两者都扩展了类 AbstractOwnableSynchronizer（一个帮助记录当前保持独占同步的线程的简单类）。

04. LockSupport
　　LockSupport提供“创建锁”和“其他同步类的基本线程阻塞原语”。 
　　LockSupport的功能和”Thread中的Thread.suspend()和Thread.resume()有点类似”，LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程。但是park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。

 

05. Condition
　　Condition需要和Lock联合使用，它的作用是代替Object监视器方法，可以通过await(),signal()来休眠/唤醒线程。
Condition 接口描述了可能会与锁有关联的条件变量。这些变量在用法上与使用 Object.wait 访问的隐式监视器类似，但提供了更强大的功能。需要特别指出的是，单个 Lock 可能与多个 Condition 对象关联。为了避免兼容性问题，Condition 方法的名称与对应的 Object 版本中的不同。

 

　　06. ReentrantLock
　　ReentrantLock是独占锁。所谓独占锁，是指只能被独自占领，即同一个时间点只能被一个线程锁获取到的锁。ReentrantLock锁包括”公平的ReentrantLock”和”非公平的ReentrantLock”。”公平的ReentrantLock”是指”不同线程获取锁的机制是公平的”，而”非公平的　　ReentrantLock”则是指”不同线程获取锁的机制是非公平的”，ReentrantLock是”可重入的锁”。
　　ReentrantLock的UML类图如下：

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》

　　(01) ReentrantLock实现了Lock接口。
　　(02) ReentrantLock中有一个成员变量sync，sync是Sync类型；Sync是一个抽象类，而且它继承于AQS。
　　(03) ReentrantLock中有”公平锁类”FairSync和”非公平锁类”NonfairSync，它们都是Sync的子类。ReentrantReadWriteLock中sync对象，是FairSync与NonfairSync中的一种，这也意味着ReentrantLock是”公平锁”或”非公平锁”中的一种，ReentrantLock默认是非公平锁。

 

07. ReentrantReadWriteLock
　　ReentrantReadWriteLock是读写锁接口ReadWriteLock的实现类，它包括子类ReadLock和WriteLock。ReentrantLock是共享锁，而WriteLock是独占锁。
　　ReentrantReadWriteLock的UML类图如下：

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》
　　(01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
　　(02) ReentrantReadWriteLock中包含sync对象，读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。
　　(03) 和”ReentrantLock”一样，sync是Sync类型；而且，Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括”公平锁”FairSync和”非公平锁”NonfairSync。

08. CountDownLatch
　　CountDownLatch是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。 
　　CountDownLatch的UML类图如下：

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》
　　CountDownLatch包含了sync对象，sync是Sync类型。CountDownLatch的Sync是实例类，它继承于AQS。

 

09. CyclicBarrier
　　CyclicBarrier是一个同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier。
　　CyclicBarrier的UML类图如下：

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》
　　CyclicBarrier是包含了”ReentrantLock对象lock”和”Condition对象trip”，它是通过独占锁实现的。
　　CyclicBarrier和CountDownLatch的区别是：
　　(01) CountDownLatch的作用是允许1或N个线程等待其他线程完成执行；而CyclicBarrier则是允许N个线程相互等待。
　　(02) CountDownLatch的计数器无法被重置；CyclicBarrier的计数器可以被重置后使用，因此它被称为是循环的barrier。

 

10. Semaphore
　　Semaphore是一个计数信号量，它的本质是一个”共享锁”。
　　信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可；当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可。
　　Semaphore的UML类图如下：

《java多线程系类：JUC锁：01之框架》
　　和”ReentrantLock”一样，Semaphore包含了sync对象，sync是Sync类型；而且，Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括”公平信号量”FairSync和”非公平信号量”NonfairSync。

 

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    原文作者：JUC
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