Java实现锁的几种方式
锁和同步，学习多线程避不开的两个问题，Java提供了synchronized关键字来同步方法和代码块，还提供了很多方便易用的并发工具类，例如：LockSupport、CyclicBarrier、CountDownLatch、Semaphore…
有没有想过自己实现一个锁呢？
笔者通过一个“抢票”的程序，分别用几种不同的方式来实现方法的同步和加锁，并分析它们的优劣。
自旋
就是让加锁失败的线程死循环，不要去执行逻辑代码。
/**
* @author 潘
* @Description 抢票-自旋锁
*/
public class Ticket {
//加锁标记
private AtomicBoolean isLock = new AtomicBoolean(false);
//票库存
private int ticketCount = 10;
//抢票
public void bye(){
while (!lock()) {
//加锁失败，自旋
}
String name = Thread.currentThread().getName();
//加锁成功，执行业务逻辑
System.out.println(name + ":加锁成功...");
System.out.println(name + ":开始抢票...");
//SleepUtil.sleep(1000);
ticketCount--;
System.out.println(name + ":抢到了，库存:" + ticketCount);
System.out.println(name + ":释放锁.");
unlock();
}
//加锁的过程必须是原子操作，否则会导致多个线程同时加锁成功。
public boolean lock(){
return isLock.compareAndSet(false, true);
}
//释放锁
public void unlock() {
isLock.set(false);
}
public static void main(String[] args) {
Ticket lock = new Ticket();
//开启10个线程去抢票
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> lock.bye()).start();
}
}
}
输出如下：
Thread-0:加锁成功...
Thread-0:开始抢票...
Thread-0:抢到了，库存:9
Thread-0:释放锁.
Thread-3:加锁成功...
Thread-3:开始抢票...
Thread-3:抢到了，库存:8
Thread-3:释放锁.
Thread-4:加锁成功...
Thread-4:开始抢票...
Thread-4:抢到了，库存:7
Thread-4:释放锁.
......
加锁的过程必须是原子操作，否则会导致多个线程同时加锁成功。
自旋是实现加锁最简单的方式，但是缺点也很明显：
- 自旋时CPU空转，浪费CPU资源。
- 如果使用不当，线程一直获取不到锁，会造成CPU使用率极高，甚至系统崩溃。
yield+自旋
要解决自旋锁的性能问题，首先就是尽可能的防止CPU空转，让获取不到锁的线程主动让出CPU资源。
获取不到锁的线程主动让出CPU资源，可以通过Thread.yield()实现。
bye()可以做如下优化：
public void bye(){
while (!lock()) {
//获取不到锁，主动让出CPU资源
Thread.yield();
}
String name = Thread.currentThread().getName();
//加锁成功，执行业务逻辑
System.out.println(name + ":加锁成功...");
System.out.println(name + ":开始抢票...");
//SleepUtil.sleep(1000);
ticketCount--;
System.out.println(name + ":抢到了，库存:" + ticketCount);
System.out.println(name + ":释放锁.");
unlock();
}
Thread.yield()虽然让出了CPU资源，但还是会继续争夺，很可能CPU下次还会继续分配时间片给该线程。
yield+自旋适用于两个线程竞争的情况，如果线程太多，频繁的yield也会增加CPU的调度开销。
Sleep+自旋
除了使用yield让出CPU资源外，还可以使用Sleep将获取不到锁的线程暂时休眠，不占用CPU的资源。
bye()可以做如下优化：
public void bye(){
while (!lock()) {
//获取不到锁的线程,暂时休眠1ms，释放CPU资源
SleepUtil.sleep(1);
}
String name = Thread.currentThread().getName();
//加锁成功，执行业务逻辑
System.out.println(name + ":加锁成功...");
System.out.println(name + ":开始抢票...");
//SleepUtil.sleep(1000);
ticketCount--;
System.out.println(name + ":抢到了，库存:" + ticketCount);
System.out.println(name + ":释放锁.");
unlock();
}
使用Sleep可以减轻CPU的压力，但是缺点也很明显：
- sleep时间不可控
使用多线程的目的就是为了提升性能，减少响应时间，我们无法预估线程运行结束的时间，sleep的时间是不可控的，在高并发的场景下，哪怕1毫秒、1纳秒都应该分秒必争。
性能测试
笔者进行了简单的测试，抢夺一亿张票，结果如下：
- 自旋：耗时21806ms。
- yield+自旋：耗时2543ms。
- sleep+自旋：耗时1593ms。
测试结果仅供参考。
park+自旋
相较于前几种，是比较好的一种实现方式，需要借助于LockSupport来完成。
/**
* @author 潘
* @Description 抢票-park+自旋
*/
public class TicketPark {
//加锁标记
private AtomicBoolean isLock = new AtomicBoolean(false);
//票库存
private int ticketCount = 10;
//等待线程队列
private final Queue<Thread> WAIT_THREAD_QUEUE = new LinkedBlockingQueue<>();
//抢票
public void bye(){
while (!lock()) {
//获取不到锁的线程,添加到队列，并休眠
lockWait();
}
String name = Thread.currentThread().getName();
//加锁成功，执行业务逻辑
System.out.println(name + ":加锁成功...");
System.out.println(name + ":开始抢票...");
ticketCount--;
System.out.println(name + ":抢到了，库存:" + ticketCount);
System.out.println(name + ":释放锁.");
unlock();
}
//加锁的过程必须是原子操作，否则会导致多个线程同时加锁成功。
public boolean lock(){
return isLock.compareAndSet(false, true);
}
//释放锁
public void unlock() {
isLock.set(false);
//唤醒队列中的第一个线程
LockSupport.unpark(WAIT_THREAD_QUEUE.poll());
}
public void lockWait(){
//将获取不到锁的线程添加到队列
WAIT_THREAD_QUEUE.add(Thread.currentThread());
//并休眠
LockSupport.park();
}
}
java.util.concurrent包下很多类都是采用park+自旋来实现同步的，ReentrantLock也不例外！
尾巴
Java实现锁大致分为这么几种方式，感兴趣的同学也可以自己动手写一个Lock。