锁的相关概念介绍

本文介绍了Java中几种锁的特性。可重入锁基于线程分配,如synchronized和ReentrantLock;可中断锁能响应中断,Lock是可中断锁;公平锁按请求顺序获取,ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock默认非公平但可设为公平;读写锁将资源访问分为读锁和写锁,ReentrantReadWriteLock实现了该接口。
  1. 可重入锁
    如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁,可重入性在我看来实际上表明了锁的分配机制:基于线程的分配,而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子,当一个线程执行到某个synchronized方法时,比如说method1,而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2,此时线程不必重新去申请锁,而是可以直接执行方法method2。
      看下面这段代码就明白了:
class MyClass {
    public synchronized void method1() {
        method2();
    }
     
    public synchronized void method2() {
         
    }
}

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。
  而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。
2. 可中断锁
  可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。
  在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。
  如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。
3. 公平锁
  公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。
  非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
  在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。
  而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。
  看一下这2个类的源代码就清楚了:
在这里插入图片描述
在ReentrantLock中定义了2个静态内部类,一个是NotFairSync,一个是FairSync,分别用来实现非公平锁和公平锁。
  我们可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

如果参数为true表示为公平锁,为fasle为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。
在这里插入图片描述
另外在ReentrantLock类中定义了很多方法,比如:
  isFair() //判断锁是否是公平锁
  isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
  isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
  hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
  在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法,同样也可以设置为公平锁和非公平锁。不过要记住,ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口,它实现的是ReadWriteLock接口。
4. 读写锁
  读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。
  正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
  ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
  可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。

<think>我们正在讨论异步编程中的机制。根据提供的引用内容,我们可以看到C++和Rust中的一些异步编程特性,特别是关于的部分。在异步编程中,用于保护共享资源,防止多个任务同时访问导致的数据竞争问题。然而,异步编程中的与同步编程中的有所不同,因为异步任务可能在多个线程上执行,也可能在单线程上切换执行,因此需要特别注意死和性能问题。 引用[1]提到了C++中的std::unique_lock,它比std::lock_guard更灵活,支持延迟加和手动解。在异步编程中,我们可能会在等待异步操作时释放,以避免阻塞其他任务,从而提高并发性。 引用[3]提到了Rust中的Pin,它用于保证异步任务中某些数据的稳定性(例如自引用结构),避免在异步等待时数据被移动而导致指针失效。虽然Pin本身不是,但它与异步编程中数据的安全访问有关。 在异步编程中,机制的原理与同步编程类似,都是通过互斥来保护临界区。但由于异步任务可能会在等待I/O时挂起,如果在持有时挂起,可能会导致其他任务长时间等待,从而降低并发性能。因此,在异步编程中使用时,应尽量缩短持有的时间,或者使用异步友好的(如支持在等待时挂起任务而不阻塞线程的)。 下面我们将详细介绍异步编程中的机制,包括其原理、常见实现和使用注意事项。 一、为什么需要? 在并发编程中,当多个任务(线程或协程)同时访问共享资源(如内存数据)时,如果没有正确的同步机制,可能会导致数据竞争(data race),从而引发不可预测的行为。是一种同步机制,用于确保在任意时刻只有一个任务可以访问共享资源。 二、异步编程中的特殊性 在异步编程中,任务通常是非阻塞的,可以在等待I/O操作时挂起并让出执行权,以便其他任务运行。但是,如果任务在持有时挂起(比如等待I/O),那么其他尝试获取同一的任务将被阻塞,这可能会导致死或性能下降。因此,异步编程中的需要设计成能够与异步运行时协作,即在不可用时挂起任务而不是阻塞线程。 三、常见的异步 1. 互斥(Mutex):异步互斥允许任务在等待时挂起,当释放时,等待的任务会被唤醒。例如,在Rust的tokio运行时中,提供了tokio::sync::Mutex,它的lock方法返回一个Future,可以在async函数中await。 2. 读写(RwLock):允许多个读操作同时进行,但写操作是互斥的。异步读写同样支持在等待时挂起任务。 四、的使用模式 在异步代码中,我们通常使用异步版本的。以下是一个Rust中使用tokio互斥的示例: ```rust use tokio::sync::Mutex; use std::sync::Arc; async fn example() { let data = Arc::new(Mutex::new(0)); let mut handles = vec![]; for _ in 0..10 { let data = Arc::clone(&data); handles.push(tokio::spawn(async move { let mut lock = data.lock().await; *lock += 1; })); } for handle in handles { handle.await.unwrap(); } println!("Result: {}", *data.lock().await); } ``` 在这个例子中,我们创建了一个被互斥保护的整数。然后创建了10个异步任务,每个任务都会获取,然后对整数加1。由于使用了异步,当一个任务在持有时,如果它需要等待(比如I/O),它可以释放(通过退出临界区)然后挂起,这样其他任务就可以获取。但是在这个简单例子中,加1操作很快,所以实际上不会发生挂起,但模式是一样的。 五、注意事项 1. 避免在持有时await:在异步编程中,一个重要的原则是:不要在持有时await其他Future。因为await可能会导致任务挂起,而仍然被持有,从而阻塞其他任务。如果必须这样做,请确保的持有时间非常短,或者使用非阻塞的操作。 2. 死:异步编程中同样存在死问题,例如,两个任务互相等待对方释放。需要注意的获取顺序。 3. 性能:异步通常比同步有更高的开销,因为需要管理任务的唤醒。在不需要共享资源的情况下,尽量避免使用,考虑使用消息传递等方式。 六、替代方案 在异步编程中,并不是解决共享资源访问的唯一方法。其他方法包括: 1. 消息传递:使用通道(channel)在任务间传递数据,从而避免直接共享状态。 2. 原子操作:对于简单的数据类型,使用原子操作可以避免。 3. 无数据结构:使用无(lock-free)数据结构,但实现复杂。 总结:异步编程中的机制是保护共享资源的重要手段,但需要谨慎使用,避免在持有时挂起任务,从而影响并发性能。使用异步友好的(如支持异步等待的)并遵循最佳实践,可以有效地避免常见问题。 根据以上内容,我们生成以下相关问题: §§相关问题§§ 1. 在异步编程中,为什么需要避免在持有时await? 2. 异步互斥和普通互斥的主要区别是什么? 3. Rust的tokio运行时中,如何正确使用Mutex? 4. 除了,还有哪些方法可以解决异步编程中的共享资源访问问题? 5. 异步读写(RwLock)在什么场景下比互斥(Mutex)更优?</think>### 异步编程中的机制介绍及原理 在异步编程中,机制用于**协调并发任务对共享资源的访问**,防止数据竞争和状态不一致。其核心原理是通过**互斥访问**确保同一时刻只有一个任务能操作临界资源。以下是关键要点: #### 一、的核心原理 1. **互斥性** 当任务A持有时,任务B尝试获取会被阻塞(同步)或挂起(异步),直到释放。数学表示为: $$ \forall T_i, T_j \quad (i \neq j) \implies \text{Lock}(T_i) \cap \text{Lock}(T_j) = \emptyset $$ 2. **异步的特殊性** 与传统同步不同,异步在等待时**主动释放线程控制权**,允许事件循环执行其他任务,避免阻塞线程。原理如图: ```mermaid graph LR A[任务A请求] -- 空闲 --> B[获取] B --> C[操作共享资源] C --> D[释放] A -- 占用 --> E[挂起任务A] E --> F[事件循环执行其他任务] ``` #### 二、常见异步类型及实现 1. **互斥 (Mutex)** - **作用**:确保独占访问共享资源。 - **异步实现**: - C++:`std::unique_lock`支持手动解,适应异步调度[^1]: ```cpp std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); lock.unlock(); // 手动解,让出线程 // ...执行异步操作... lock.lock(); // 重新加 ``` - Rust:`tokio::sync::Mutex`集成异步运行时,等待时自动挂起任务[^3]。 2. **读写 (RwLock)** - **作用**:允许多个读取或单个写入,优化读多写少场景。 - **异步示例** (Rust): ```rust use tokio::sync::RwLock; async fn read_data(lock: &RwLock<Data>) { let reader = lock.read().await; // 异步获取读 // 安全读取数据 } ``` 3. **自旋 (SpinLock)** - **适用场景**:短期临界区,通过循环检查避免上下文切换开销。 - **风险**:长时间持有会导致CPU浪费。 #### 三、异步的挑战与解决方案 1. **死风险** - **场景**:任务A持有L1等待L2,任务B持有L2等待L1。 - **预防**: - 按固定顺序获取 - 设置超时机制(如`try_lock_for`) 2. **性能优化** - **缩短临界区**:避免在持有时执行I/O等异步操作。 - **无替代**:对简单数据类型使用原子操作(如`std::atomic`)。 3. **稳定性保障** - Rust通过`Pin`确保异步对象内存不被移动,防止内部指针失效[^3]: ```rust let mut data = 42; let pinned = Pin::new(&mut data); // 固定内存地址 ``` #### 四、典型应用场景 1. **缓存更新**:多个异步任务并发更新缓存字典时需互斥。 2. **全局配置管理**:热重载配置时需读写保证一致性。 3. **数据库连接池**:获取连接时需互斥访问池状态。 > **关键原则**:在异步编程中,应优先考虑**消息传递**(如Actor模型)替代,仅在必须共享状态时使用,并严格控制临界区范围[^2]。 --- ### 相关问题 1. 异步互斥与传统线程互斥的性能差异主要体现在哪些方面? 2. 在Rust异步编程中,`Pin`如何与机制协同保证内存安全? 3. 如何设计避免异步环境下读写的“写饥饿”问题? 4. 为什么在持有异步期间执行`await`容易导致死?如何规避? 5. 对比消息传递(如Go的Channel)和机制在异步编程中的适用场景差异。
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