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锁的概念

公平锁/非公平锁

可重入锁

独享锁/共享锁

互斥锁/读写锁

乐观锁/悲观锁

分段锁

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

自旋锁

可中断锁


在Java中锁的种类主要有这些:

  • 公平锁/非公平锁
  • 可重入锁
  • 独享锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 乐观锁/悲观锁
  • 分段锁
  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
  • 自旋锁
  • 可中断锁

上面是很多锁的名词,这些分类并不是全是指锁的状态,有的指锁的特性,有的指锁的设计,所以有可能两种锁的名词可以同时形容一种关键字,下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

 

首先明确锁是什么东西,要理解锁的概念:

锁是在资源中的,是要访问资源(如对象实例,Class类实例,属性变量,代码块等)的一部分,线程只有获取该资源的锁才有权访问这个资源,这个就是锁机制。线程想要持有资源的锁。资源的锁有很多种,下面就对锁的种类进行讲解。

java的内置锁:每个java对象都可以用做一个实现同步的锁(因为每一个Java对象都对应着一个monitor对象,monitor对象就是实现锁机制的基础),这些锁称为内置锁(也就是Monitor锁)。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁,在退出同步代码块或方法时会释放该锁。

获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。

java内置锁是一个互斥锁,这就是意味着最多只有一个线程能够获得该锁,当线程A尝试去获得线程B持有的内置锁时,线程A必须等待或者阻塞,知道线程B释放这个锁,

如果B线程不释放这个锁,那么A线程将永远等待下去。

 

公平锁/非公平锁

它们指的锁的两种种类

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。

非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能,会造成优先级反转或者饥饿现象。(非公平锁就是抢占式的)

  • 对于ReentrantLock而言,通过构造函数指定该锁是否是公平锁,默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
  • 对于Synchronized而言,也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

 

可重入锁

它指的锁的一种种类

可重入锁又名递归锁,是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候,在进入内层方***自动获取锁。说的有点抽象,下面会有一个代码的示例。

  • 对于ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁,其名字是Re entrant Lock重新进入锁。
  • 对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的,不会出现自己把自己锁死的问题,即已经获取该资源的锁的线程,如果该线程再次访问该资源,系统会判定当前资源的锁已经被线程持有(实际是被该线程自己持有)无法获取该锁,需要阻塞等待,然后该线程就会进入阻塞状态,而锁本来就在它这,阻塞状态锁也释放不了,也获取不了,就进入到了死锁状态。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁,可重入锁可以使持有锁的线程重复访问资源,不会发生死锁。
synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}
synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点,如果不是可重入锁的话,setB可能不会被当前线程执行,可能造成死锁。

 

独享锁/共享锁

它们指的锁的两种种类

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

  • 对于ReentrantLock而言,其是独享锁。
  • 对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。
    • 读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的,读写,写读 ,写写的过程是互斥的(操作系统中的读者-写者问题)。
  • 对于Synchronized而言,当然是独享锁。

独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。

 

互斥锁/读写锁

它们指的锁的两种种类的具体实现

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法,互斥锁/读写锁就是具体的实现。

  • 互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
  • 读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock
  • Synchronized也是互斥锁

 

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁,而是指看待并发同步的角度。

悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定是会发生修改的(或者增删改多,查少),哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁的并发操作一定会出问题

乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作,是不会发生修改的(或者增删改少,查多)。在更新数据的时候,会采用不断尝试更新的方式来更新数据。也就是先不管资源有没有被别的线程占用,直接取申请操作,如果没有产生冲突,那就操作成功,如果产生冲突,有其他线程已经在使用了,那么就不断地轮询。乐观的认为,不加锁的并发操作是没有事情的。就是通过设置多个版本,如果修改完之后发现有冲突再将版本返回到没修改的样子,乐观锁就是不加锁

从上面的描述我们可以看出,悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升

  • 悲观锁在Java中的使用,就是利用各种锁。
  • 乐观锁在Java中的使用,是无锁编程,常常采用的是CAS算法,典型的例子就是原子类,通过CAS自旋实现原子操作的更新。

 

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,并不是具体的一种锁,对于ConcurrentHashMap而言,其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想,ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMapJDK7JDK8HashMap的实现)的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLockSegment继承了ReentrantLock)

当需要put元素的时候,并不是对整个hashmap进行加锁,而是先通过hashcode来知道他要放在哪一个分段中,然后对这个分段进行加锁,所以当多线程put的时候,只要不是放在一个分段中,就实现了真正的并行的插入。

但是,在统计size的时候,可就是获取hashmap全局信息的时候,就需要获取所有的分段锁才能统计。

分段锁的设计目的是细化锁的粒度,当操作不需要更新整个数组的时候,就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

 

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态,并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的锁是在资源中的,是要访问资源(如对象实例,Class类实例,属性变量,代码块等)的一部分,线程是要取得资源中的锁。

  • 偏向锁是指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。
  • 轻量级锁是指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。
  • 重量级锁是指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。

 

自旋锁

Java中,自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁(即当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区),这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU

典型的自旋锁实现的例子:

public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

    public void lock(){
        Thread current = Thread.currentThread();
        while(!sign .compareAndSet(null, current)){
        }
    }

    public void unlock (){
        Thread current = Thread.currentThread();
        sign .compareAndSet(current, null);
    }
}

使用了CAS原子操作,lock函数将owner设置为当前线程,并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null,并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空,导致循环一直被执行,直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null,第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体,不进行线程状态的改变,所以响应速度更快。但当线程数不停增加时,性能下降明显,因为每个线程都需要执行,占用CPU时间。如果线程竞争不激烈,并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

注:该例子为非公平锁,获得锁的先后顺序,不会按照进入lock的先后顺序进行。

 

可中断锁

synchronized 是不可中断的,Lock 是可中断的,这里的可中断建立在阻塞等待中断,运行中是无法中断的。