Feinkörnige Java-Sperre

Mehrere Sperren in Java: synchronisiert, ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock können grundsätzlich die Programmieranforderungen erfüllen, ihre Granularität ist jedoch zu groß. Nur ein Thread kann gleichzeitig in den synchronisierten Block eintreten, was für bestimmte Szenarien mit hoher Parallelität nicht geeignet ist. .

Das Folgende bietet mehrere feinkörnigere Sperren:

1. Segmentierte Sperren

Nutzen Sie die Segmentierungsidee von concurrentHashMap und generieren Sie zunächst eine bestimmte Anzahl von Sperren. und verwenden Sie sie gezielt. Geben Sie dann das entsprechende Schloss basierend auf dem Schlüssel zurück. Dies ist die einfachste und leistungsfähigste unter mehreren Implementierungen und ist auch die Sperrstrategie, die schließlich übernommen wurde. Der Code lautet wie folgt:

/**
 * 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();
    }
}

2 Hash-Sperre

Basierend auf oben segmentierte Sperre Die zweite entwickelte Sperrstrategie besteht darin, eine echte feinkörnige Sperre zu erreichen. Jedes Objekt mit einem anderen Hashwert kann eine eigene unabhängige Sperre erhalten. In Tests war die Effizienz bei der sehr schnellen Ausführung des gesperrten Codes etwa 30 % langsamer als bei der segmentierten Sperrung. Bei Langzeitoperationen sollte die Leistung gefühlt besser sein. Der Code lautet wie folgt:

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();
        }
    }
}

3. Schwache Referenzsperre

Hash-Sperre, da die segmentierte Sperre eingeführt wird, um die Synchronisierung von Sperrenerstellung und -zerstörung sicherzustellen, fühlt sie sich immer etwas fehlerhaft an Deshalb habe ich die zweiten drei Sperren geschrieben, um eine bessere Leistung und feinkörnigere Sperren zu erzielen. Die Idee dieser Sperre besteht darin, die schwache Referenz von Java zum Erstellen der Sperre zu verwenden und die Zerstörung der Sperre an die Garbage Collection der JVM zu übergeben, um zusätzlichen Verbrauch zu vermeiden.

Es ist schade, dass ConcurrentHashMap als Sperrcontainer verwendet wird und die Segmentierungssperre nicht wirklich entfernt werden kann. Die Leistung dieser Sperre ist etwa 10 % schneller als die von HashLock. Sperrcode:

/**
 * 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;
        }
    }
}

4. Mutex-Sperre basierend auf KEY (Primärschlüssel)

KeyLock ist der KEY (Primärschlüssel) der Daten, die muss verarbeitet werden) zum Sperren, solange verschiedene Tastenoperationen ausgeführt werden, können sie parallel verarbeitet werden, wodurch die Parallelität von Threads erheblich verbessert wird

KeyLock verfügt über die folgenden Funktionen:

1. Feinkörnige, hohe Parallelität
2. Reentrant
3. Faire Sperre
4. Der Sperraufwand ist größer als bei ReentrantLock, was geeignet ist für Langzeitverarbeitung, Szenarien mit großem Tastenbereich

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;
		}
	}
}

KeyLock-Verwendungsbeispiel:

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);  
    }  
}

Der Testcode lautet wie folgt:

//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);  
            }  
        }  
    }  
}

Testergebnisse:

(Insgesamt 10.000 zufällige Übertragungen auf 100 Konten durch 8 Threads):

Typ: NonLockRunner (entsperrt)
Zeitverbrauch: 2482 ms
Anfänglicher Gesamtbetrag: 1.000.000
Gesamtbeendigungsbetrag: 998906 (Atomizität kann nicht garantiert werden)

Typ: SynchronizedRunner (plus synchronisierte Sperre)
Zeitverbrauch: 20872 ms
Anfänglicher Gesamtbetrag: 1000000
Gesamtbeendigungsbetrag: 1000000

Typ: ReentrantLockRunner (plus ReentrantLock-Sperre)
Aufgewandte Zeit: 21588 ms
Anfangsgesamtbetrag: 1000000
Gesamtbeendigungsbetrag: 1000000

Typ: KeyLockRunner (plus KeyLock-Sperre)
Benötigte Zeit: 2831 ms
Anfänglicher Gesamtbetrag: 1000000
Gesamtbeendigungsbetrag: 1000000