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常见的锁机制

Java中常用的锁机制

浅谈Java锁机制

java锁机制

不可不说的Java“锁”事

锁机制：一种保护机制，在多线程的情况下，保证操作数据的正确性 / 一致性

Synchronized 锁【S】

• synchronized 机制是 给共享资源上锁，只有拿到锁的线程才可以访问共享资源，这样就可以强制使得对共享资源的访问都是顺序的
• Synchronized 是Java 关键字，属于Java 的内置特性
• 基于 JVM 来保证数据同步
• 无需手动释放锁，会一直等待

Lock锁【L】

• 在 硬件层面 ，依赖特殊的CPU指令实现数据同步的
• ReentrantLock：默认非公平但可实现公平的
• 需要手动释放锁，可中断线程

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线程是否要锁住同步资源

悲观锁【S、RL】

悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改

悲观锁在Java中的使用，就是利用 各种锁

• 悲观锁 适合写操作多 的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确
• 重量级锁是悲观锁的一种
• 悲观锁基本都是在显式的锁定之后再操作同步资源

	// synchronized
	public synchronized void testMethod() {
    
		// 操作同步资源
	}
	
	// ReentrantLock
	private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 需要保证多个线程使用的是同一个锁
	public void modifyPublicResources() {
    
		lock.lock();
		// 操作同步资源
		lock.unlock();
	}

乐观锁

乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）

乐观锁在Java中的使用，是 无锁编程，常常采用的是 CAS算法

【这使得乐观锁能够做到不锁定同步资源也可以正确的实现线程同步】

中转站：CAS 无锁机制

• 典型的例子就是Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的
• 乐观锁 适合读操作多 的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升
• 自旋锁、轻量级锁与偏向锁属于乐观锁
• 乐观锁则直接去操作同步资源

	// 需要保证多个线程使用的是同一个AtomicInteger
	private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  
	
	//执行自增1
	atomicInteger.incrementAndGet(); 

多个线程竞争锁流程（锁的状态）【S】

前提知识：

Java对象头

synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前需要给同步资源先加锁，这把锁就是存在Java对象头里的

Monitor

• 可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象，每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁
• Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表
• 每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用

无锁状态

• 无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功
• CAS原理及应用即是无锁的实现

以下三种锁是指锁的 状态，并且是 针对 Synchronized，通过对象监视器在对象头中的字段来表明的

synchronized通过Monitor来实现线程同步

Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步

偏向锁 通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作

轻量级锁 通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能

重量级锁 将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞

偏向锁

一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会 自动获取锁，降低获取锁的代价

轻量级锁

当锁是 偏向锁 的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能

重量级锁

• 当锁为 轻量级锁 的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁，重量级锁会让其他申请的线程进入 阻塞，性能降低
• 依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”

获取锁失败，线程是否堵塞

前提知识：

• 阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间
• 如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长
• 在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失
• 如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁

自旋锁

中转站：

自旋锁

尝试获取锁的线程不会立即阻塞（尽可能的减少线程的阻塞），而是采用循环的方式去 尝试获取锁

实现原理

• CAS

好处

• 避免切换线程的开销

缺点

• 循环会 消耗CPU，占用了处理器的时间
• 自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要cpu的线程又不能获取到cpu，造成cpu的浪费

适用

• 锁的 竞争不激烈，且 占用锁时间非常短 的代码块来说性能能大幅度的提升
• 因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗

非自旋

多线程竞争锁时是否需要排队

公平锁

多个线程按照 申请锁的顺序 来获取锁

优点

• 等待锁的线程不会饿死

缺点

• 整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞
• CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大

非公平锁【S、RL】

多个线程获取锁的顺序 并不是按照申请锁的顺序，多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待

优点

• 可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程

缺点

• 处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁

一个线程多个流程能否获得相同锁

可重入锁【S 、RL】

究竟什么是可重入锁？

”递归锁“：广义上的可重入锁指 可重复可递归调用 的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用（前提得是同一个对象或者class）

	public class Widget {
    
	    public synchronized void doSomething() {
    
	        System.out.println("方法1执行...");
	        doOthers();
	    }
	
	    public synchronized void doOthers() {
    
	        System.out.println("方法2执行...");
	    }
	}

在上面的代码中，类中的两个方法都是被内置锁synchronized修饰的，doSomething()方法中调用doOthers()方法。因为内置锁是可重入的，所以同一个线程在调用doOthers()时可以直接获得当前对象的锁，进入doOthers()进行操作。

如果是一个不可重入锁，那么当前线程在调用doOthers()之前需要将执行doSomething()时获取当前对象的锁释放掉，实际上该对象锁已被当前线程所持有，且无法释放。所以此时会出现死锁

优点

• 一定程度避免死锁

实现原理

通过重入锁ReentrantLock以及非可重入锁NonReentrantLock的源码来对比分析死锁产生原因

• 首先ReentrantLock和NonReentrantLock都继承父类AQS，其父类AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数，status初始值为0

• 当线程尝试获取锁时

  • 可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行status+1，且当前线程可以再次获取锁
  • 非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞

• 释放锁时

  • 可重入锁同样先获取当前status的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果status-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁
  • 非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将status置为0，将锁释放

多个线程能否共享相同锁

独享锁 / 共享锁这是广义上的说法，互斥锁 / 读写锁就分别对应具体的实现

独享锁与共享锁是 通过AQS 来实现的

锁升级：读锁到写锁 (不支持)

锁降级：写锁到读锁 (支持)

【通过ReentrantLock（互斥锁）和ReentrantReadWriteLock（读写锁）介绍独享锁和共享锁】

独享锁（互斥锁）【S、RL】

一次只能被 一个线程 所持有

共享锁（读写锁）

可被 多个线程 所持有