更新時(shí)間：2025-05-09 09:13:12作者：佚名
翻譯：費(fèi)隆
協(xié)議：CC BY-NC-SA 4.0
歡迎來到我的Java8并發(fā)教程的第二部分。本指南將教您如何在Java 8中使用簡單易懂的代碼示例在Java 8中進(jìn)行編程。這是一系列教程的第二部分。在接下來的15分鐘內(nèi)，您將學(xué)習(xí)如何通過同步關(guān)鍵字，鎖和信號(hào)量同步訪問共享變量。
本文中顯示的中心概念也適用于Java的較舊版本，但是代碼示例適用于Java 8permit是什么意思？怎么讀，并嚴(yán)重依賴Lambda表達(dá)式和新的并發(fā)功能。如果您還不熟悉Lambda，我建議您先閱讀我的Java 8教程。
為簡單起見，本教程的代碼示例使用此處定義的兩個(gè)輔助功能睡眠（秒）和停止（執(zhí)行程序）。
同步
在上一章中，我們學(xué)會(huì)了如何通過執(zhí)行器服務(wù)同時(shí)執(zhí)行代碼。當(dāng)我們編寫這種多線程代碼時(shí)，我們需要特別注意同時(shí)訪問共享變量。假設(shè)我們打算增加一個(gè)可以通過多個(gè)線程同時(shí)訪問的整數(shù)。
我們使用rezement（）方法定義計(jì)數(shù)字段以添加計(jì)數(shù)：
int count = 0;
void increment() {
? ?count = count + 1;
}當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用此方法時(shí)，我們將遇到大麻煩：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
IntStream.range(0, 10000)
? ?.forEach(i -> executor.submit(this::increment));
stop(executor);
System.out.println(count); ?// 9965我們看不到計(jì)數(shù)為10000的結(jié)果，并且每次執(zhí)行上述代碼的實(shí)際結(jié)果都不同。原因是我們?cè)诓煌木€程上共享可變變量，并且沒有用于可變?cè)L問的同步機(jī)制，從而創(chuàng)造了種族條件。
添加一個(gè)值需要三個(gè)步驟：（1）讀取當(dāng)前值，（2）將此值添加到一個(gè)，（3）將新值寫入變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，則有可能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程，并且將讀取相同的當(dāng)前值。這將導(dǎo)致寫作無效，因此實(shí)際結(jié)果將很小。在上面的示例中，異步對(duì)計(jì)數(shù)的并發(fā)訪問丟失了35個(gè)增量操作，但是在自己執(zhí)行代碼時(shí)，您會(huì)看到不同的結(jié)果。
幸運(yùn)的是，Java很久以前就支持了與同步關(guān)鍵字的線程同步。在增加計(jì)數(shù)時(shí)，我們可以使用同步固定上述比賽條件。
synchronized void incrementSync() {
? ?count = count + 1;
}當(dāng)我們同時(shí)調(diào)用regrementSync（）時(shí)，我們獲得了10000的預(yù)期結(jié)果。不再次出現(xiàn)比賽條件，并且在每個(gè)代碼執(zhí)行中的結(jié)果穩(wěn)定：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
IntStream.range(0, 10000)
? ?.forEach(i -> executor.submit(this::incrementSync));
stop(executor);
System.out.println(count); ?// 10000同步關(guān)鍵字也可以在語句塊中使用：
void incrementSync() {
? ?synchronized (this) {
? ? ? ?count = count + 1;
? ?}
}Java在內(nèi)部使用所謂的“監(jiān)視器”（也稱為顯示器鎖或固有鎖）來管理同步。監(jiān)視器綁定到對(duì)象，例如，當(dāng)使用同步方法時(shí)，每個(gè)方法都會(huì)為相應(yīng)的對(duì)象共享同一監(jiān)視器。
所有隱式監(jiān)視器都實(shí)現(xiàn)了重進(jìn)入功能。重新進(jìn)入意味著鎖定與當(dāng)前線綁定。線程可以安全地獲取相同的鎖多次，而無需創(chuàng)建僵局（例如，同步方法調(diào)用同一對(duì)象的另一種同步方法）。
鎖
并發(fā)API支持各種顯式鎖，由鎖定接口指定這些鎖以替換同步隱式鎖。鎖支持多種細(xì)粒度控制方法，因此它們比隱式監(jiān)視器具有更多的開銷。
標(biāo)準(zhǔn)JDK中提供了一些鎖的實(shí)現(xiàn)，并在以下各章中顯示。
重新進(jìn)入
重新輸入鎖類是一種靜音類，其行為與通過同步但功能擴(kuò)展的隱式監(jiān)視器相同。就像其名稱一樣，此鎖會(huì)像隱式監(jiān)視器一樣實(shí)現(xiàn)重新進(jìn)入功能。
使用Reentrantlock后，讓我們看一下上面的示例。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int count = 0;
void increment() {
? ?lock.lock();
? ?try {
? ? ? ?count++;
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlock();
? ?}
}可以通過鎖（）獲得鎖，并通過unlock（）釋放。將您的代碼包裹在一個(gè)嘗試的障礙物中以確保在特殊情況下解鎖，這一點(diǎn)非常重要。此方法是線程安全的，就像同步復(fù)制品一樣。如果另一個(gè)線程已經(jīng)收到鎖，則再次調(diào)用鎖（）將阻止當(dāng)前線程，直到鎖定鎖定為止。只有一個(gè)線程可以在任何給定時(shí)間內(nèi)獲取鎖。
鎖定到顆?？丶С侄喾N方法，如以下示例：
executor.submit(() -> {
? ?lock.lock();
? ?try {
? ? ? ?sleep(1);
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlock();
? ?}
});
executor.submit(() -> {
? ?System.out.println("Locked: " + lock.isLocked());
? ?System.out.println("Held by me: " + lock.isHeldByCurrentThread());
? ?boolean locked = lock.tryLock();
? ?System.out.println("Lock acquired: " + locked);
});
stop(executor);第一個(gè)任務(wù)獲得鎖后的一秒鐘，第二個(gè)任務(wù)獲取了有關(guān)鎖當(dāng)前狀態(tài)的不同信息。
Locked: true
Held by me: false
Lock acquired: falseTrylock（）方法是鎖定（）方法的替代方法，該方法試圖在不阻止當(dāng)前線程的情況下固定鎖定。在訪問任何共享的可突變變量之前，必須使用布爾結(jié)果來檢查是否已獲取鎖定。
ReadWritelock
ReadWritelock接口指定了另一種類型的鎖定，包括一對(duì)鎖定鎖，用于讀寫訪問。讀寫鎖的想法是，只要沒有線程編寫變量，同時(shí)讀取可變變量通常是安全的。因此，只要沒有螺紋固定寫鎖定，就可以同時(shí)由多個(gè)線程保存讀取鎖。這可以改善性能和吞吐量，因?yàn)樽x取比寫作更頻繁。
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
Map map = new HashMap<>();
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
executor.submit(() -> {
? ?lock.writeLock().lock();
? ?try {
? ? ? ?sleep(1);
? ? ? ?map.put("foo", "bar");
? ?} finally {
? ? ? ?lock.writeLock().unlock();
? ?}
}); 暫停一秒鐘后，上面的示例首先獲取寫鎖以在地圖上添加新值。在完成此任務(wù)之前，啟動(dòng)了另外兩個(gè)任務(wù)，試圖閱讀地圖中的元素并暫停一秒鐘：
Runnable readTask = () -> {
? ?lock.readLock().lock();
? ?try {
? ? ? ?System.out.println(map.get("foo"));
? ? ? ?sleep(1);
? ?} finally {
? ? ? ?lock.readLock().unlock();
? ?}
};
executor.submit(readTask);
executor.submit(readTask);
stop(executor);執(zhí)行此代碼示例時(shí)permit是什么意思？怎么讀，您會(huì)注意到兩個(gè)讀取任務(wù)需要等待寫任務(wù)完成。寫入鎖定后，將同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)讀取任務(wù)，并同時(shí)打印結(jié)果。他們不需要等待彼此完成，因?yàn)橹灰獩]有其他線程獲得寫鎖，就可以同步獲得讀取鎖。
Stampedlock
Java 8帶有一個(gè)名為Stampedlock的新鎖，它也支持讀寫鎖，就像上面的示例一樣。與ReadWritelock不同，Stampedlock的鎖定方法返回表示為長的標(biāo)記。您可以使用這些標(biāo)記釋放鎖定，或檢查鎖是否有效。此外，Stampedlock支持另一種稱為樂觀鎖定的模式。
讓我們使用Stampedlock而不是ReadWritelock重寫上面的示例：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
Map map = new HashMap<>();
StampedLock lock = new StampedLock();
executor.submit(() -> {
? ?long stamp = lock.writeLock();
? ?try {
? ? ? ?sleep(1);
? ? ? ?map.put("foo", "bar");
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlockWrite(stamp);
? ?}
});
Runnable readTask = () -> {
? ?long stamp = lock.readLock();
? ?try {
? ? ? ?System.out.println(map.get("foo"));
? ? ? ?sleep(1);
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlockRead(stamp);
? ?}
};
executor.submit(readTask);
executor.submit(readTask);
stop(executor); 通過ReadLock（）或Writelock（）獲取讀取鎖或?qū)戞i定的標(biāo)簽，該標(biāo)簽可在以后在最后塊中解鎖。請(qǐng)記住，Stampedlock不會(huì)實(shí)現(xiàn)重新進(jìn)入功能。每個(gè)鎖定的呼叫都會(huì)返回一個(gè)新標(biāo)簽，并在沒有可用鎖定時(shí)將其阻止，即使同一線程已經(jīng)接管了鎖。因此，您需要額外的注意不要僵局。
像以前的ReadWritelock示例一樣，兩個(gè)讀取任務(wù)都需要等待發(fā)布寫鎖。然后，兩個(gè)讀取任務(wù)同時(shí)將信息打印到控制臺(tái)網(wǎng)校頭條，因?yàn)橹灰獩]有線程獲得寫鎖，多個(gè)讀取操作就不會(huì)互相阻止。
以下示例顯示了樂觀的鎖：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
StampedLock lock = new StampedLock();
executor.submit(() -> {
? ?long stamp = lock.tryOptimisticRead();
? ?try {
? ? ? ?System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp));
? ? ? ?sleep(1);
? ? ? ?System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp));
? ? ? ?sleep(2);
? ? ? ?System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp));
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlock(stamp);
? ?}
});
executor.submit(() -> {
? ?long stamp = lock.writeLock();
? ?try {
? ? ? ?System.out.println("Write Lock acquired");
? ? ? ?sleep(2);
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlock(stamp);
? ? ? ?System.out.println("Write done");
? ?}
});
stop(executor);通過調(diào)用TryOptimisticRead（）獲得樂觀的讀取鎖，該鎖總是在不阻止當(dāng)前線程的情況下返回標(biāo)簽，而不管鎖定是否實(shí)際可用。如果已收到寫鎖，則返回的標(biāo)記等于0。您需要始終檢查標(biāo)記是否有效。
執(zhí)行上述代碼將產(chǎn)生以下輸出：
Optimistic Lock Valid: true
Write Lock acquired
Optimistic Lock Valid: false
Write done
Optimistic Lock Valid: false樂觀的鎖僅在獲得鎖后是有效的。與普通讀取鎖不同，樂觀的鎖不會(huì)阻止其他線程同時(shí)獲得寫鎖。在第一個(gè)線程暫停一秒鐘后，第二個(gè)線程在不等待釋放樂觀的讀鎖的情況下獲取寫鎖。目前，樂觀的讀鎖不再有效。即使釋放寫鎖，樂觀的讀取鎖仍然處于無效狀態(tài)。
因此，使用樂觀的鎖時(shí)，您需要在訪問任何共享變量后每次檢查鎖定，以確保讀取鎖定仍然有效。
有時(shí)，將讀取鎖轉(zhuǎn)換為寫入鎖定是非常實(shí)用的，而無需重新解鎖和鎖定。為此目的，StampedLock提供了TryConvertTowritelock（）方法，如以下目的：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
StampedLock lock = new StampedLock();
executor.submit(() -> {
? ?long stamp = lock.readLock();
? ?try {
? ? ? ?if (count == 0) {
? ? ? ? ? ?stamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp);
? ? ? ? ? ?if (stamp == 0L) {
? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("Could not convert to write lock");
? ? ? ? ? ? ? ?stamp = lock.writeLock();
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?count = 23;
? ? ? ?}
? ? ? ?System.out.println(count);
? ?} finally {
? ? ? ?lock.unlock(stamp);
? ?}
});
stop(executor);第一個(gè)任務(wù)將獲取讀取鎖，并將計(jì)數(shù)字段的當(dāng)前值打印到控制臺(tái)。但是，如果當(dāng)前值為零，我們希望將其分配給23。我們首先需要將讀取鎖轉(zhuǎn)換為寫入鎖定，以避免從其他線程中破壞潛在的并發(fā)訪問。對(duì)TryConvertTowriteLock（）的調(diào)用不會(huì)阻止，但可能會(huì)返回零標(biāo)記，表明當(dāng)前沒有寫鎖。在這種情況下，我們調(diào)用Writelock（）阻止當(dāng)前線程，直到有一個(gè)可用的寫鎖。
信號(hào)
除鎖外，并發(fā)API還支持計(jì)數(shù)信號(hào)量。但是，鎖通常用于互斥變量或資源的互斥訪問，信號(hào)量可以維護(hù)整體訪問權(quán)限。這在某些不同的情況下非常有用，例如，當(dāng)您需要限制程序的一部分并發(fā)訪問總數(shù)時(shí)。
這是一個(gè)示例，演示了如何限制通過睡眠模擬的長期運(yùn)行任務(wù)的訪問（5）：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
Runnable longRunningTask = () -> {
? ?boolean permit = false;
? ?try {
? ? ? ?permit = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);
? ? ? ?if (permit) {
? ? ? ? ? ?System.out.println("Semaphore acquired");
? ? ? ? ? ?sleep(5);
? ? ? ?} else {
? ? ? ? ? ?System.out.println("Could not acquire semaphore");
? ? ? ?}
? ?} catch (InterruptedException e) {
? ? ? ?throw new IllegalStateException(e);
? ?} finally {
? ? ? ?if (permit) {
? ? ? ? ? ?semaphore.release();
? ? ? ?}
? ?}
}
IntStream.range(0, 10)
? ?.forEach(i -> executor.submit(longRunningTask));
stop(executor);執(zhí)行人可以同時(shí)運(yùn)行10個(gè)任務(wù)，但是我們使用Size 5的信號(hào)量，因此我們將同時(shí)訪問5限制為5。在特殊情況下，使用try-Finally代碼塊合理地釋放信號(hào)量很重要。
執(zhí)行上述代碼會(huì)產(chǎn)生以下結(jié)果：
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Semaphore acquired
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore
Could not acquire semaphore信號(hào)量限制了對(duì)長達(dá)5個(gè)線程模擬（5）模擬的長期運(yùn)行任務(wù)的訪問。隨后的每個(gè)TryAcquire（）調(diào)用將打印結(jié)果，該結(jié)果無法在等待一秒鐘的等待時(shí)間之后獲得控制臺(tái)的信號(hào)量。
這是我系列并發(fā)教程的第二部分。將來會(huì)發(fā)布更多零件，因此請(qǐng)等待。和以前一樣，您可以在GitHub上找到此文檔的所有示例代碼，因此請(qǐng)隨時(shí)訂購此存儲(chǔ)庫并自己嘗試。