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();
}
}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();
}
}
}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;
}
}
}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;
}
}
}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);
}
}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);
}
}
}
}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