史上最全 Java 中各种锁的介绍

Posted 2020-12-21

原创 java金融 java金融 4月20日

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什么是锁

在计算机科学中，锁(lock)或互斥(mutex)是一种同步机制，用于在有许多执行线程的环境中强制对资源的访问限制。锁旨在强制实施互斥排他、并发控制策略。
锁通常需要硬件支持才能有效实施。这种支持通常采取一个或多个原子指令的形式，如"test-and-set", "fetch-and-add" or "compare-and-swap"”。这些指令允许单个进程测试锁是否空闲，如果空闲，则通过单个原子操作获取锁。

公平锁

• 定义：就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照FIFO的规则从队列中取到自己。

• 优点：所有的线程都能得到资源，不会饿死在队列中。

• 缺点：吞吐量会下降很多，队列里面除了第一个线程，其他的线程都会阻塞，cpu唤醒阻塞线程的开销会很大。

• 公平锁获取锁例子

 1 /**
 2     *     true 表示 ReentrantLock 的公平锁
 3     */
 4    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 5
 6    public   void testFail(){
 7        try {
 8            lock.lock();
 9            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"获得了锁");
10        }finally {
11            lock.unlock();
12        }
13    }
14    public static void main(String[] args) {
15        FairLockTest fairLock = new FairLockTest();
16        Runnable runnable = () -> {
17           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"启动");
18            fairLock.testFail();
19        };
20        Thread[] threadArray = new Thread[10];
21        for (int i=0; i<10; i++) {
22            threadArray[i] = new Thread(runnable);
23        }
24        for (int i=0; i<10; i++) {
25            threadArray[i].start();
26        }
27    }

运行结果

 1Thread-1启动
 2Thread-1获得了锁
 3Thread-3启动
 4Thread-3获得了锁
 5Thread-5启动
 6Thread-5获得了锁
 7Thread-2启动
 8Thread-2获得了锁
 9Thread-4启动
10Thread-4获得了锁
11Thread-6启动
12Thread-6获得了锁
13Thread-10启动
14Thread-8启动
15Thread-10获得了锁
16Thread-9启动
17Thread-7启动
18Thread-8获得了锁
19Thread-9获得了锁
20Thread-7获得了锁

看到结果里面获得锁的顺序和线程启动顺序是一致的，这就是公平锁。

非公平锁

• 定义：线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到就自动到队尾等待。

• 优点：非公平锁性能高于公平锁性能，非公平锁能更充分的利用cpu的时间片，尽量的减少cpu空闲的状态时间。

• 缺点：可能导致队列中间的线程一直获取不到锁或者长时间获取不到锁，导致饿死。

• 非公平锁列子：只需要将上面公平锁的代码改为new ReentrantLock(false);
  运行结果

  1Thread-1启动
  2Thread-0启动
  3Thread-2启动
  4Thread-3启动
  5Thread-4启动
  6Thread-8启动
  7Thread-7启动
  8Thread-6启动
  9Thread-1获得了锁
  10Thread-0获得了锁
  11Thread-5启动
  12Thread-5获得了锁
  13Thread-2获得了锁
  14Thread-3获得了锁
  15Thread-4获得了锁
  16Thread-8获得了锁
  17Thread-7获得了锁
  18Thread-6获得了锁
  19Thread-9启动
  20Thread-9获得了锁

线程启动顺序是1、0、2、3、 4、 8 、7 、6 、5 、9，获得锁的顺序却是1 、0 、5 、2 、3 、4 、8 、7 、6 、9，这就是非公平锁，它不保证先排队尝试去获取锁的线程一定能先拿到锁。

重入锁

• 定义：- 可重入锁指的是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，并且不发生死锁（前提得是同一个对象或者class），这样的锁就叫做可重入锁。ReentrantLock和synchronized都是可重入锁
  下面是一个synchronized重入锁的列子：

  1public class ReentrantLockTest {
  2
  3
  4    public static void main(String[] args){
  5        for (int i = 0; i < 10; i++) {
  6           new Thread(() -> A()).start();
  7        }
  8    }
  9    public static   synchronized void  A(){
  10        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  11        B();
  12    }
  13    public static synchronized void  B(){
  14        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
  15    }
  16}

输出：

1Thread-1
2Thread-1
3Thread-0
4Thread-0

A方法和B方法同时输出了线程名称，表明即使递归使用synchronized也没有发生死锁，证明其是可重入的。

读写锁

百度百科定义的读写锁是：

  读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。

• 与传统锁不同的是读写锁的规则是可以共享读，但只能一个写，总结起来为：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，而一般的独占锁是：读读互斥，读写互斥，写写互斥，而场景中往往读远远大于写，读写锁就是为了这种优化而创建出来的一种机制。注意是读远远大于写，一般情况下独占锁的效率低来源于高并发下对临界区的激烈竞争导致线程上下文切换。因此当并发不是很高的情况下，读写锁由于需要额外维护读锁的状态，可能还不如独占锁的效率高。因此需要根据实际情况选择使用。

• Java里面ReentrantReadWriteLock读写锁特性
  公平选择性： 支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平。
  重进入： 读锁和写锁都支持线程重进入。
  锁降级： 锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。

乐观锁、悲观锁

• 乐观锁：乐观锁总是认为不存在并发问题，每次去取数据的时候，总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁。但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。

• 悲观锁：　悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一份数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁并发操作一定会出问题。典型的数据库的查询 for update。

• 在对任意记录进行修改前，先尝试为该记录加上排他锁（exclusive locking）。

• 如果加锁失败，说明该记录正在被修改，那么当前查询可能要等待或者抛出异常。具体响应方式由开发者根据实际需要决定。

• 如果成功加锁，那么就可以对记录做修改，事务完成后就会解锁了。期间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作，都会等待我们解锁或直接抛出异常。

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jdk1.7 及以前的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。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。

自旋锁

在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，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。

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。
　

• 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。重量级锁会让他申请的线程进入阻塞，性能降低。

独享锁、共享锁

• 　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Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于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。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。对于Synchronized而言，当然是独享锁。

  参考文章
  https://blog.csdn.net/qiuwenjie123/article/details/79950532
  https://segmentfault.com/q/1010000009659039
  https://blog.csdn.net/qq_43519310/article/details/100107346
  https://blog.csdn.net/u010648018/article/details/79750608
  https://www.cnblogs.com/hustzzl/p/9343797.html
  http://ifeve.com/locks/
  http://ifeve.com/locks/