java锁相关内容

Posted 2020-11-26 菩提树下的韦小宝

什么是锁

在单线程情况下，看下面代码：

public class Test {
    // 计数器
    private Integer count = 0;
    
    // 累加操作
    public void addOne() {
        count += 1;
    }

    // 获取计算器的值
    public Integer getCount(){
        return this.count;
    }
}

始终只会被一个线程累加，调用addOne()10次，count的值一定就累加了10这是单线程情况下的运行结果，

多线程情况下，有一个线程A调用addOne()10次的中间，就很可能会有另外一个线程B也在调用addOne()方法，这就会导致线程A调用getCount()的结果发现count的累加值会大于10。此时线程A就会觉得莫名其妙。所以对线程A来讲，count是线程不安全的。

要保证线程A调用10次，count的累加值也是10，则需要保证线程A在累加时，其他线程先排队等着。这就是多线程间的同步操作。

同步操作的实现，需要给对象关联一个互斥体，这个互斥体就可以叫做锁。不同的锁的实现方式不一样

锁就是一个互斥体，避免了资源的安全问题

锁的实现方式：

Java中锁的实现方式有两种：synchronized关键字和并发包中的锁类

public void synchronizedTest(){
  // 同步代码块      
  synchronized (this){
      // 一些业务操作         
      System.out.println(" synchronizedTest");     
   }
}

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 public void testLock() {
        // 获取锁
        lock.lock();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("test ReentrantLock ");
        // 释放锁
        lock.unlock();
  }

锁的概念：

死锁

   　线程之间相互等着对方释放资源，而自己的资源又不释放给别人，这种情况就是死锁。所以，只要其中一线程释放了资源，死锁就会被解除。

重入锁

   　重入锁指的是，一个线程在拥有了当前资源的锁之后，可以再次拿到该锁而不被阻塞。在后面会讲到synchronized的重入锁原理。

自旋锁

　　自旋锁指的是，线程在没有获得锁时，不是被直接挂起，而是执行一个空循环（自旋）。默认是循环10次。

　　自旋锁的目的也就是为了减少线程被挂起的几率，因为线程的挂起和唤醒也都是耗资源的操作。

　　如果锁被另一个线程占用的时间比较长，即使自旋了之后当前线程还是会被挂起，空循环就会变成浪费系统资源的操作，反而降低了整体性能。所以，自旋锁是不适应锁占用时间长的并发情况的。

自适应自旋锁

　　自适应自旋锁是对自锁锁的一种优化。当一个线程自旋后成功获得了锁，那么下次自旋的次数就会增加。因为虚拟机认为，既然上次自旋期间成功拿到了锁，那么后面的自旋会有很大几率拿到锁。相反，如　果对于某个锁，很少有自旋能够成功获得的，那么后面就会减少自旋次数，甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。

　　这种锁是默认开启的。

锁消除

　　锁消除指的是，在编译期间利用“逃逸分析技术”分析出那些不存在竞争却加了锁的代码的锁失效。这样就减少了锁的请求与释放操作，因为锁的请求与释放都会消耗系统资源。

　　锁消除也是默认开启的。我们知道StringBuffer的append方法是加了锁的

　　逃逸分析技术，还会将确定不会发生逃逸的对象放在栈内存中而不是堆内存中，所以说，并不是所有的对象都存在堆内存中的。

锁偏向

　　偏向锁指的是，当第一个线程请求时，会判断锁的对象头里的ThreadId字段的值，如果为空，则让该线程持有偏向锁，并将ThreadId的值置为当前线程ID。当前线程再次进入时，如果线程ID与ThreadId的值相等，则该线程就不会再重复获取锁了。因为锁的请求与释放是要消耗系统资源的。

　　如果有其他线程也来请求该锁，则偏向锁就会撤销，然后升级为轻量级锁。如果锁的竞争十分激烈，则轻量级锁又会升级为重量级锁。

锁粗化

　　锁粗化指的是，在编译期间将相邻的同步代码块合并成一个大同步块。这样做可以减少反复申请和释放同一个锁对象导致的系统开销。锁粗化也是默认开启的。

synchronized关键字锁实现

　　synchronized关键字实现锁，是根据操作系统实现的，通过相关指令实现的，

　　在字节码中，有个monitorenter就是申请锁的指令，有个monitorexit就是释放锁的指令。

　　监视锁monitor 是每个对象都有的一个隐藏字段。申请锁成功之后，monitor就会成为当前线程的唯一持有者。线程第一次执行monitorenter指令后，monitor的值由0变为1。当该线程再次遇到monitorenter指令后，就会将monitor继续累加1。这也是synchronized实现重入锁的原理。

　　我们知道，JVM会有指令重排序的操作。Java会在位置3和位置4之间插入一个获取屏障，在位置18和19之间插入一个释放屏障，这两个屏障保证临界区内的任何操作都不会被指令重排序到临界区之外。加上锁的排他性，临界区内的操作便具有了原子性。

　　在monitorexit指令后还会插入一个StoreLoad屏障，该屏障保证了monitorenter和monitorexit指令是成对不混乱的，从而保证了synchronized既可并列又可嵌套。

　　在synchronized关键字使用时候还会存在锁升级状态：

　　无锁  -》偏向锁  -》轻量级锁  -》重量级锁  

　　那么是怎么实现的呢：

　　是对象锁实现的，在对象中存储一个对象头 

　　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，而Java对象头又是什么呢？

　　我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

　　Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化

　　

 

 

　　Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

　　Monitor

　　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。

　　现在话题回到synchronized，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。

　　如同我们在自旋锁中提到的“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”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。

　　所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。

　　

无锁

　　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。

　　无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

　　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。

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

　　是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，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，从而提高性能。

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。

如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。

如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

 

 

重量级锁

　　升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态

　　锁只可以升级不可以降级

 

 整体的一个实现讲解

 

 LockApi实现

代码实现：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// 可响应中断
public class LockInterruptiblyDemo1 {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LockInterruptiblyDemo1 demo1 = new LockInterruptiblyDemo1();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    demo1.test(Thread.currentThread());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        Thread.sleep(500); // 等待0.5秒，让thread1先执行

        thread2.start();
        Thread.sleep(2000); // 两秒后，中断thread2

        thread2.interrupt();
    }

    public void test(Thread thread) throws InterruptedException {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "， 想获取锁");
        lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
            Thread.sleep(10000); // 抢到锁，10秒不释放
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
        }
    }
}

ReentrantLock是独享锁，可重入锁
读写锁，看官方案例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

// 缓存示例
public class CacheDataDemo {
    // 创建一个map用于缓存
    private Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    private static ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 1 读取缓存里面的数据
        // cache.query()
        // 2 如果换成没数据,则取数据库里面查询  database.query()
        // 3 查询完成之后,数据塞到塞到缓存里面 cache.put(data)
    }

    public Object get(String id) {
        Object value = null;
        // 首先开启读锁，从缓存中去取
        rwl.readLock().lock();
        try {
            if (map.get(id) == null) {
                // TODO database.query();  全部查询数据库 ,缓存雪崩
                // 必须释放读锁
                rwl.readLock().unlock();
                // 如果缓存中没有释放读锁，上写锁。如果不加锁，所有请求全部去查询数据库，就崩溃了
                rwl.writeLock().lock(); // 所有线程在此处等待  1000  1  999 (在同步代码里面再次检查是否缓存)
                try {
                    // 双重检查，防止已经有线程改变了当前的值，从而出现重复处理的情况
                    if (map.get(id) == null) {
                        // TODO value = ...如果缓存没有，就去数据库里面读取
                    }
                    rwl.readLock().lock(); // 加读锁降级写锁,这样就不会有其他线程能够改这个值，保证了数据一致性
                } finally {
                    rwl.writeLock().unlock(); // 释放写锁@
                }
            }
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
        return value;
    }
}