Java锁的分类概念和状态

Posted 2022-02-11 little lunatic

在Java中，synchronized和Lock的实现类锁都是悲观锁。

一、悲观锁和乐观锁

悲观锁：获取数据时会先加锁，确保数据不会被其他线程修改。悲观锁适合写操作多的场景。

乐观锁：认为自己在使用数据时，不会有别的线程来修改数据，更新数据前会判断有没有别的线程更新了这个数据。乐观锁适合读操作多的场景。

乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

二、自旋锁

实现原理：CAS算法

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，让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

但是，自旋不能代替阻塞！如果锁被占用的时间太长，自旋的线程就会浪费CPU资源。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。

三、无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁

这四种是锁的状态，针对的是synchronized。

Synchronized能实现线程同步需要了解两个重要的概念：Java对象头，Monitor。synchronized会对同步资源加锁，这把锁就存在Java对象头。

Java对象头包括两部分：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。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。

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，每个线程都有一个可用的monitor record列表和一个全局列表。每个被锁的对象都会和一个monitor关联，monitor中的owner字段存放拥有该锁的线程唯一标识，表示该锁被这个线程占用。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（一种互斥锁）来实现的线程同步。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”。

无锁

所有线程都能访问并修改同步资源，但是只有一个线程能修改成功。

特点：修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。

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，提高性能。

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。

偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。

轻量级锁

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。

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。

轻量级锁是通过用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

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。

重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

四、公平锁和非公平锁

公平锁：按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队。

优点：等待锁的线程不会饿死。

缺点：整体吞吐量比不上非公平锁，除队列第一个线程外，其他线程都会阻塞。

非公平锁：多个线程加锁时，直接获取锁（插队），如果成功，这个线程就不用阻塞直接就获取到锁，失败才会进入等待队列队尾等待。

优点：减少CPU唤醒线程的开销。吞吐量大。

缺点：处于等待队列的线程有可能饿死，或者等很久才会获取到锁。

五、可重入锁和非可重入锁

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，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

优点：可一定程度避免死锁。

非可重入锁

在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

六、共享锁和独占锁

共享锁

该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁（独享锁）。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

独占锁

又叫排他锁，该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK 中的 synchronized 和 JUC 中 Lock 的实现类就是互斥锁。

知识来源：Java锁的概念|不可不说的Java“锁”事