Java多线程——锁概念与锁优化

Posted 2021-01-20

为了性能与使用的场景，Java实现锁的方式有非常多。而关于锁主要的实现包含synchronized关键字、AQS框架下的锁，其中的实现都离不开以下的策略。

悲观锁与乐观锁

• 乐观锁。乐观的想法，认为并发读多写少。每次操作的时候都不上锁，直到更新的时候才通过CAS判断更新。对于AQS框架下的锁，初始就是乐观锁，若CAS失败则转化为悲观锁。
• 悲观锁。悲观的想法，认为并发写多读少。每次操作数据都上锁，即使别人想读也要先获得锁才能读。对于1.6以前的synchronized关键字，则是悲观锁的实现之一。

CAS无锁算法

全称为 Compare and Swap。CAS有三个操作数，内存值V，旧预期值（已获得的旧数据）A，修改新值B。当且仅当V与A的值相同（compare），才能把V替换为B（Swap）。其中Java中内存值可以通过volatile关键字标识获取，该关键词可以使变量对所有线程实时可见。

CAS算法在锁的应用非常广泛，java中concurrent包的高性能都是基于这个算法，可以说没有CAS，并发包的高性能也就不存在了。

重量级锁

悲观锁的一种。互斥使代码执行可以同步，但这种方式成本比较高，涉及到操作系统的调用阻塞，会造成一些系统资源的浪费。1.6以前，在Java中的即是监视器锁，把.java文件编程成.class文件后能看到synchronized关键字就是通过monitorenter和monitorexit这个两个字节码指令来实现的。

轻量级锁

由于在没有很多线程竞争的前提下，重量级锁会导致性能资源的浪费。每次判断是否无锁，无锁则建锁记录，有锁通过CAS去尝试获取锁（对比Mark Word）。该过程失败会让锁膨胀为重量级锁。

偏向锁

是轻量级锁的优化，适用于无多线程竞争。虽然轻量级锁在可以在较少线程竞争下，减少操作系统调用，减少互斥变量的产生。但在理想情况下，线程很少发生线程竞争，在轻量级锁中，还是会有比较多的CAS操作。在偏向锁中，有一个锁记录（Mark word）标记为偏向，指向当前线程。若该指向不变，则只需要判断记录是否有被切换。如果被切换了，尝试CAS替换指向，后续一直执行同步代码块。当CAS替换指向失败，则说明存在多线程竞争，此时锁会膨胀为轻量级锁。

自旋锁

是锁竞争失败后执行的策略之一，对应的有阻塞的锁。在线程竞争锁失败后，阻塞的锁会把线程阻塞，直到有信号唤起才能继续执行线程，此过程会涉及用户态与系统态的转换，产生性能消耗。而自旋锁在锁竞争失败后，会把线程做自旋，避免线程进入阻塞。在自旋过程中，会不断的尝试去竞争锁。
但如果线程一直自旋都获取不到锁，也会产生很多CPU的性能消耗，所以也有一个自适应的自旋锁（控制自旋的时间）解决这个问题。