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자바 세분화된 잠금

伊谢尔伦
풀어 주다： 2017-02-03 15:31:43
원래의
1682명이 탐색했습니다.

Java의 여러 잠금: 동기화, ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock은 기본적으로 프로그래밍 요구 사항을 충족할 수 있지만 세분성이 너무 큽니다. 동시에 하나의 스레드만 동기화된 블록에 들어갈 수 있으므로 특정 높은 동시성 시나리오에는 적합하지 않습니다. .

다음은 몇 가지 더 세분화된 잠금을 제공합니다.

1. 분할된 잠금

concurrentHashMap의 분할 아이디어를 활용하여 먼저 특정 개수의 잠금을 생성합니다. 그런 다음 키를 기반으로 해당 잠금을 반환합니다. 이는 여러 구현 중 가장 간단하고 성능이 뛰어나며 최종적으로 채택된 잠금 전략이기도 합니다. 코드는 

/**
 * 分段锁，系统提供一定数量的原始锁，根据传入对象的哈希值获取对应的锁并加锁
 * 注意：要锁的对象的哈希值如果发生改变，有可能导致锁无法成功释放!!!
 */
public class SegmentLock<T> {
    private Integer segments = 16;//默认分段数量
    private final HashMap<Integer, ReentrantLock> lockMap = new HashMap<>();
 
    public SegmentLock() {
        init(null, false);
    }
 
    public SegmentLock(Integer counts, boolean fair) {
        init(counts, fair);
    }
 
    private void init(Integer counts, boolean fair) {
        if (counts != null) {
            segments = counts;
        }
        for (int i = 0; i < segments; i++) {
            lockMap.put(i, new ReentrantLock(fair));
        }
    }
 
    public void lock(T key) {
        ReentrantLock lock = lockMap.get(key.hashCode() % segments);
        lock.lock();
    }
 
    public void unlock(T key) {
        ReentrantLock lock = lockMap.get(key.hashCode() % segments);
        lock.unlock();
    }
}
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2. Hash lock

을 기반으로 개발되었습니다. 위의 분할된 잠금 중 두 번째 잠금 전략은 진정한 세분화된 잠금을 달성하는 것을 목표로 합니다. 서로 다른 해시 값을 가진 각 객체는 자체적인 독립적인 잠금을 얻을 수 있습니다. 테스트에서 잠긴 코드가 매우 빠르게 실행될 때 효율성은 세그먼트 잠금보다 약 30% 느렸습니다. 장기적인 운영이 있다면 성능이 더 좋아질 것 같은 느낌이 듭니다. 코드는 다음과 같습니다. 

public class HashLock<T> {
    private boolean isFair = false;
    private final SegmentLock<T> segmentLock = new SegmentLock<>();//分段锁
    private final ConcurrentHashMap<T, LockInfo> lockMap = new ConcurrentHashMap<>();
 
    public HashLock() {
    }
 
    public HashLock(boolean fair) {
        isFair = fair;
    }
 
    public void lock(T key) {
        LockInfo lockInfo;
        segmentLock.lock(key);
        try {
            lockInfo = lockMap.get(key);
            if (lockInfo == null) {
                lockInfo = new LockInfo(isFair);
                lockMap.put(key, lockInfo);
            } else {
                lockInfo.count.incrementAndGet();
            }
        } finally {
            segmentLock.unlock(key);
        }
        lockInfo.lock.lock();
    }
 
    public void unlock(T key) {
        LockInfo lockInfo = lockMap.get(key);
        if (lockInfo.count.get() == 1) {
            segmentLock.lock(key);
            try {
                if (lockInfo.count.get() == 1) {
                    lockMap.remove(key);
                }
            } finally {
                segmentLock.unlock(key);
            }
        }
        lockInfo.count.decrementAndGet();
        lockInfo.unlock();
    }
 
    private static class LockInfo {
        public ReentrantLock lock;
        public AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);
 
        private LockInfo(boolean fair) {
            this.lock = new ReentrantLock(fair);
        }
 
        public void lock() {
            this.lock.lock();
        }
 
        public void unlock() {
            this.lock.unlock();
        }
    }
}
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3. 약한 참조 잠금

해시 잠금은 잠금 생성 및 소멸의 동기화를 보장하기 위해 도입되었기 때문에 항상 약간 결함이 있는 것처럼 느껴집니다. 그래서 더 나은 성능과 더 세분화된 잠금을 추구하기 위해 세 번째 잠금을 작성했습니다. 이 잠금의 아이디어는 Java의 약한 참조를 사용하여 잠금을 생성하고 추가 소비를 피하기 위해 잠금 파괴를 JVM의 가비지 수집에 넘겨주는 것입니다.

ConcurrentHashMap을 잠금 컨테이너로 사용하기 때문에 분할 잠금을 실제로 제거할 수 없다는 점은 아쉽습니다. 이 잠금의 성능은 HashLock보다 약 10% 빠릅니다. 잠금 코드: 

/**
 * 弱引用锁，为每个独立的哈希值提供独立的锁功能
 */
public class WeakHashLock<T> {
    private ConcurrentHashMap<T, WeakLockRef<T, ReentrantLock>> lockMap = new ConcurrentHashMap<>();
    private ReferenceQueue<ReentrantLock> queue = new ReferenceQueue<>();
 
    public ReentrantLock get(T key) {
        if (lockMap.size() > 1000) {
            clearEmptyRef();
        }
        WeakReference<ReentrantLock> lockRef = lockMap.get(key);
        ReentrantLock lock = (lockRef == null ? null : lockRef.get());
        while (lock == null) {
            lockMap.putIfAbsent(key, new WeakLockRef<>(new ReentrantLock(), queue, key));
            lockRef = lockMap.get(key);
            lock = (lockRef == null ? null : lockRef.get());
            if (lock != null) {
                return lock;
            }
            clearEmptyRef();
        }
        return lock;
    }
 
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private void clearEmptyRef() {
        Reference<? extends ReentrantLock> ref;
        while ((ref = queue.poll()) != null) {
            WeakLockRef<T, ? extends ReentrantLock> weakLockRef = (WeakLockRef<T, ? extends ReentrantLock>) ref;
            lockMap.remove(weakLockRef.key);
        }
    }
 
    private static final class WeakLockRef<T, K> extends WeakReference<K> {
        final T key;
 
        private WeakLockRef(K referent, ReferenceQueue<? super K> q, T key) {
            super(referent, q);
            this.key = key;
        }
    }
}
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4. KEY(기본 키) 기반의 Mutex 잠금

KeyLock은 해당 데이터의 KEY(기본 키)에 대해 수행됩니다. 잠금은 다른 키에서 작동하는 한 병렬로 처리될 수 있으므로 스레드의 병렬 처리가 크게 향상됩니다.

KeyLock에는 다음이 있습니다. 특징 :

1. 세밀하고 높은 병렬성
2. 재진입
3. 공정한 잠금
4. 잠금 오버헤드가 ReentrantLock보다 커서 처리 시간이 길고 키 범위가 긴 경우에 적합 큰 장면

public class KeyLock<K> {
	// 保存所有锁定的KEY及其信号量
	private final ConcurrentMap<K, Semaphore> map = new ConcurrentHashMap<K, Semaphore>();
	// 保存每个线程锁定的KEY及其锁定计数
	private final ThreadLocal<Map<K, LockInfo>> local = new ThreadLocal<Map<K, LockInfo>>() {
		@Override
		protected Map<K, LockInfo> initialValue() {
			return new HashMap<K, LockInfo>();
		}
	};

	/**
	 * 锁定key，其他等待此key的线程将进入等待，直到调用{@link #unlock(K)}
	 * 使用hashcode和equals来判断key是否相同，因此key必须实现{@link #hashCode()}和
	 * {@link #equals(Object)}方法
	 * 
	 * @param key
	 */
	public void lock(K key) {
		if (key == null)
			return;
		LockInfo info = local.get().get(key);
		if (info == null) {
			Semaphore current = new Semaphore(1);
			current.acquireUninterruptibly();
			Semaphore previous = map.put(key, current);
			if (previous != null)
				previous.acquireUninterruptibly();
			local.get().put(key, new LockInfo(current));
		} else {
			info.lockCount++;
		}
	}
	
	/**
	 * 释放key，唤醒其他等待此key的线程
	 * @param key
	 */
	public void unlock(K key) {
		if (key == null)
			return;
		LockInfo info = local.get().get(key);
		if (info != null && --info.lockCount == 0) {
			info.current.release();
			map.remove(key, info.current);
			local.get().remove(key);
		}
	}

	/**
	 * 锁定多个key
	 * 建议在调用此方法前先对keys进行排序，使用相同的锁定顺序，防止死锁发生
	 * @param keys
	 */
	public void lock(K[] keys) {
		if (keys == null)
			return;
		for (K key : keys) {
			lock(key);
		}
	}

	/**
	 * 释放多个key
	 * @param keys
	 */
	public void unlock(K[] keys) {
		if (keys == null)
			return;
		for (K key : keys) {
			unlock(key);
		}
	}

	private static class LockInfo {
		private final Semaphore current;
		private int lockCount;

		private LockInfo(Semaphore current) {
			this.current = current;
			this.lockCount = 1;
		}
	}
}
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KeyLock 사용 예: 

private int[] accounts;  
private KeyLock<Integer> lock = new KeyLock<Integer>();  
  
public boolean transfer(int from, int to, int money) {  
    Integer[] keys = new Integer[] {from, to};  
    Arrays.sort(keys); //对多个key进行排序，保证锁定顺序防止死锁  
    lock.lock(keys);  
    try {  
        //处理不同的from和to的线程都可进入此同步块  
        if (accounts[from] < money)  
            return false;  
        accounts[from] -= money;  
        accounts[to] += money;  
        return true;  
    } finally {  
        lock.unlock(keys);  
    }  
}
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테스트 코드는 다음과 같습니다. 

//场景：多线程并发转账  
public class Test {  
    private final int[] account; // 账户数组，其索引为账户ID，内容为金额  
  
    public Test(int count, int money) {  
        account = new int[count];  
        Arrays.fill(account, money);  
    }  
  
    boolean transfer(int from, int to, int money) {  
        if (account[from] < money)  
            return false;  
        account[from] -= money;  
        try {  
            Thread.sleep(2);  
        } catch (Exception e) {  
        }  
        account[to] += money;  
        return true;  
    }  
      
    int getAmount() {  
        int result = 0;  
        for (int m : account)  
            result += m;  
        return result;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        int count = 100;        //账户个数  
        int money = 10000;      //账户初始金额  
        int threadNum = 8;      //转账线程数  
        int number = 10000;     //转账次数  
        int maxMoney = 1000;    //随机转账最大金额  
        Test test = new Test(count, money);  
          
        //不加锁  
//      Runner runner = test.new NonLockRunner(maxMoney, number);  
        //加synchronized锁  
//      Runner runner = test.new SynchronizedRunner(maxMoney, number);  
        //加ReentrantLock锁  
//      Runner runner = test.new ReentrantLockRunner(maxMoney, number);  
        //加KeyLock锁  
        Runner runner = test.new KeyLockRunner(maxMoney, number);  
          
        Thread[] threads = new Thread[threadNum];  
        for (int i = 0; i < threadNum; i++)  
            threads[i] = new Thread(runner, "thread-" + i);  
        long begin = System.currentTimeMillis();  
        for (Thread t : threads)  
            t.start();  
        for (Thread t : threads)  
            t.join();  
        long time = System.currentTimeMillis() - begin;  
        System.out.println("类型：" + runner.getClass().getSimpleName());  
        System.out.printf("耗时：%dms\n", time);  
        System.out.printf("初始总金额：%d\n", count * money);  
        System.out.printf("终止总金额：%d\n", test.getAmount());  
    }  
  
    // 转账任务  
    abstract class Runner implements Runnable {  
        final int maxMoney;  
        final int number;  
        private final Random random = new Random();  
        private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();  
  
        Runner(int maxMoney, int number) {  
            this.maxMoney = maxMoney;  
            this.number = number;  
        }  
  
        @Override  
        public void run() {  
            while(count.getAndIncrement() < number) {  
                int from = random.nextInt(account.length);  
                int to;  
                while ((to = random.nextInt(account.length)) == from)  
                    ;  
                int money = random.nextInt(maxMoney);  
                doTransfer(from, to, money);  
            }  
        }  
  
        abstract void doTransfer(int from, int to, int money);  
    }  
  
    // 不加锁的转账  
    class NonLockRunner extends Runner {  
        NonLockRunner(int maxMoney, int number) {  
            super(maxMoney, number);  
        }  
  
        @Override  
        void doTransfer(int from, int to, int money) {  
            transfer(from, to, money);  
        }  
    }  
  
    // synchronized的转账  
    class SynchronizedRunner extends Runner {  
        SynchronizedRunner(int maxMoney, int number) {  
            super(maxMoney, number);  
        }  
  
        @Override  
        synchronized void doTransfer(int from, int to, int money) {  
            transfer(from, to, money);  
        }  
    }  
  
    // ReentrantLock的转账  
    class ReentrantLockRunner extends Runner {  
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
  
        ReentrantLockRunner(int maxMoney, int number) {  
            super(maxMoney, number);  
        }  
  
        @Override  
        void doTransfer(int from, int to, int money) {  
            lock.lock();  
            try {  
                transfer(from, to, money);  
            } finally {  
                lock.unlock();  
            }  
        }  
    }  
  
    // KeyLock的转账  
    class KeyLockRunner extends Runner {  
        private final KeyLock<Integer> lock = new KeyLock<Integer>();  
  
        KeyLockRunner(int maxMoney, int number) {  
            super(maxMoney, number);  
        }  
  
        @Override  
        void doTransfer(int from, int to, int money) {  
            Integer[] keys = new Integer[] {from, to};  
            Arrays.sort(keys);  
            lock.lock(keys);  
            try {  
                transfer(from, to, money);  
            } finally {  
                lock.unlock(keys);  
            }  
        }  
    }  
}
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테스트 결과:

( 스레드 8개 100개 계정에 총 10,000번 무작위 전송):

유형: NonLockRunner(잠금 해제)
소요 시간: 2482ms
초기 총 금액: 1000000
총 종료 금액: 998906(불가) 원자성 보장)

유형: 동기화된 Runner(동기화된 잠금 포함)
시간 소비: 20872ms
초기 총량: 1000000
총 종료량: 1000000

유형: ReentrantLockRunner (ReentrantLock 추가)
소모 시간: 21588ms
초기 총량: 1000000
총 종료량: 1000000

유형: KeyLockRunner(KeyLock 추가)
소요 시간: 2831ms
최초 총액: 1000000
총 해지 금액: 1000000


관련 라벨：
java细粒度锁
원천：php.cn
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