java中锁的应用

Posted 2021-11-27 ming-blogs

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

1.重入锁

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。synchronized（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)都属于可重入锁。

synchronized 和 Lock的区别

synchronize是重量级锁，使用结束之后会自动释放锁。用于方法和静态代码块。

lock是轻量级锁，需要手动加锁和手动释放锁。JDK1.5之后出来的并发包。灵活性高。

2.读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

读锁：获取值的信息。

写锁：对值做操作。

3.悲观锁和乐观锁

乐观锁：

总是认为不会产生并发问题，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，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

 version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

核心SQL语句

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};    

CAS操作方式：即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

乐观锁本质没有锁，效率比较高、无阻塞、无等待、重试。

悲观锁：

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

悲观锁特征：重量级锁、对每一个请求都会加锁、会进行阻塞。

原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。常用的原子类 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference。

4.CAS无锁机制

什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

CAS算法理解

（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

（2）无锁的好处：

     第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；

     第二，它天生就是死锁免疫的。

     就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量(主内存)，E表示预期值(本地内存)，N表示新值。当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。如果不一致的话，会刷新值到主内存中。

（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。

（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

CAS（乐观锁算法）的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{   
       备份旧数据；  
       基于旧数据构造新数据；  
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))  

 

（上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。）

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

5.java内存模型

本地内存(工作内存)：存放共享内存的副本，如果本地共享内存修改之后就会刷新到主内存(共享内存)中。不同的本地内存它们之间的共享内存副本相互不可见，如果二个本地内存都做了+1 操作，都会刷新结果到主内存中，但是主内存结果最后只进行了一次+1操作，这时候就产生了问题，因为二个本地内存中都做了+1操作。

Synchronize既能保证线程安全也能保证原子性，volatile 可以保证可见性，但是不能保证原子性问题(线程安全)。

6.自旋锁与互斥锁的区别

互斥锁：会进行等待、阻塞、悲观锁，线程会从sleep(加锁)------------>running(解锁 )，过程中有上下文的切换，cpu的抢占，信号的发送等开销。

自旋锁：乐观锁，线程一直是running(加锁-------->解锁)，死循环检测锁的标志位，机制不重复。

7.公平锁与非公平锁的区别

公平锁和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表，表节点Node的值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依此从到到尾的执行。

锁的表现方式：表节点Node和状态state的volatile关键字。

公平锁：先到先得，顺序执行。

非公平锁：在等待锁的过程中，如果有任意新的线程妄图获取锁，都是有很大的机率直接获取到锁的。