6_Java 的锁

于 2020-11-12 19:35:28 发布
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分类专栏： # 并发 文章标签： 多线程 java 并发编程
By_Code27
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/XJ0927/article/details/109653575
版权

Java 锁之 公平锁 和 非公平锁

概念

公平锁

是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，类似于排队买饭，先来后到，先来先服务，就是公平的，也就是队列

非公平锁

是指多个线程获取锁的顺序，并不是按照申请锁的顺序 [ 随机抢占 ]，有可能申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发环境下，有可能造成优先级翻转，或者饥饿的线程（也就是某个线程一直得不到锁）

如何创建

synchronized 只能是非公平锁 。

并发包中 ReentrantLock 的创建可以指定析构函数的 boolean 类型来得到公平锁或者非公平锁，默认是非公平锁

/**
* 创建一个可重入锁，true 表示公平锁，false 表示非公平锁。默认非公平锁
*/
Lock lock = new ReentrantLock(true);

两者区别

公平锁：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，或者当前线程是等待队列中的第一个，就占用锁，否者就会加入到等待队列中，以后按照 FIFO 的规则从队列中取到自己

非公平锁： 非公平锁比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。

题外话

Java ReenttrantLock 通过构造函数指定该锁是否公平，默认是非公平锁，因为非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大，对于synchronized 而言，也是一种非公平锁。

可重入锁 和 递归锁 ReentrantLock

概念

理念： [ 可重入锁就是递归锁 ！！！] 指的是 同一线程 外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能获取到该锁的代码，在同一线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁 。也就是说：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步的代码块

⽐如⼀个线程获得了某个对象的锁 [ 第一层方法 ]，此时这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的 [ 第二层方法 ]

实现： ReentrantLock / Synchronized 就是一个典型的可重入锁

实例

可重入锁就是，在一个 method1 方法中加入一把锁，方法 2 也加锁了，那么他们拥有的是同一把锁

public synchronized void method1() {
	method2();
}

public synchronized void method2() {

}

也就是说我们只需要进入 method1 后，那么它也能直接进入method2 方法，因为他们所拥有的锁，是同一把 。

作用

可重入锁的最大作用就是避免死锁

可重入锁验证

证明 Synchronized
/**
 * 资源类
 */
class Phone {

    /**
     * 发送短信
     * @throws Exception
     */
    public synchronized void sendSMS() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t invoked sendSMS()");

        // 在同步方法中，调用另外一个同步方法
        sendEmail();
    }

    /**
     * 发邮件
     * @throws Exception
     */
    public synchronized void sendEmail() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "\t invoked sendEmail()");
    }
}
public class ReenterLockDemo {


    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        // 两个线程操作资源列
        new Thread(() -> {
            try {
                phone.sendSMS();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                phone.sendSMS();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t2").start();
    }
}

在这里，我们编写了一个资源类 phone，拥有两个加了 synchronized 的同步方法，分别是 sendSMS 和 sendEmail，我们在 sendSMS 方法中，调用 sendEmail。最后在主线程同时开启了两个线程进行测试，最后得到的结果为：

t1	 invoked sendSMS()
t1	 invoked sendEmail()
t2	 invoked sendSMS()
t2	 invoked sendEmail()

这就说明当 t1 线程进入sendSMS 的时候，拥有了一把锁，同时 t2 线程无法进入，直到 t1 线程拿着锁，执行了sendEmail 方法后，才释放锁，这样 t2 才能够进入

t1	 invoked sendSMS()      t1线程在外层方法获取锁的时候
t1	 invoked sendEmail()    t1在进入内层方法会自动获取锁

t2	 invoked sendSMS()      t2线程在外层方法获取锁的时候
t2	 invoked sendEmail()    t2在进入内层方法会自动获取锁
证明ReentrantLock
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 资源类
 */
class Phone implements Runnable{

    Lock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * set 进去的时候，就加锁，调用set方法的时候，能否访问另外一个加锁的set方法
     */
    public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t set Lock");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        getLock();
    }
}
public class ReenterLockDemo {


    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        /**
         * 因为Phone实现了Runnable接口
         */
        Thread t3 = new Thread(phone, "t3");
        Thread t4 = new Thread(phone, "t4");
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

现在我们使用 ReentrantLock 进行验证，首先资源类实现了 Runnable 接口，重写 Run 方法，里面调用 get 方法，get 方法在进入的时候，就加了锁

    public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

然后在方法里面，又调用另外一个加了锁的 setLock 方法

    public void setLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t set Lock");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

最后输出结果我们能发现，结果和加 synchronized 方法是一致的，都是在外层的方法获取锁之后，线程能够直接进入里层

t3	 get Lock
t3	 set Lock
t4	 get Lock
t4	 set Lock

注意 1： 当我们在 getLock 方法加两把锁会是什么情况呢？(阿里面试)

public void getLock() {
        lock.lock();
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

最后得到的结果也是一样的，因为里面不管有几把锁，其它他们都是同一把锁，也就是说用同一个钥匙都能够打开 。

注意 2： 当我们在 getLock 方法加两把锁，但是只解一把锁会出现什么情况呢 ？

public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

得到结果

t3	 get Lock
t3	 set Lock

也就是说程序直接卡死，线程不能出来，也就说明我们申请几把锁，最后需要解除几把锁

注意 3： 当我们只加一把锁，但是用两把锁来解锁的时候，又会出现什么情况呢 ？

    public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

这个时候，运行程序会直接报错

t3	 get Lock
t3	 set Lock
t4	 get Lock
t4	 set Lock
Exception in thread "t3" Exception in thread "t4" java.lang.IllegalMonitorStateException
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.lang.IllegalMonitorStateException
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
	at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Java 锁之 自旋锁

自旋锁：spinlock，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 [ 避免用户态与内核态之间的转换 ]，缺点是循环会消耗CPU 。

原来提到的 CAS 比较并交换，底层使用的就是自旋，自旋就是多次尝试，多次访问，不会阻塞的状态就是自旋。

在这里插入图片描述

优缺点

优点： 循环比较获取直到成功为止，没有类似于 wait 的阻塞

缺点： 当不断自旋的线程越来越多的时候，会因为执行 while 循环不断的消耗 CPU 资源

手写自旋锁

通过 CAS 操作完成自旋锁，A线程先进来调用 myLock 方法自己持有锁 5 秒，B 随后进来发现当前有线程持有锁，不是 null，所以只能通过自旋等待，直到 A 释放锁后 B 随后抢到 。

public class SpinLockDemo {

    // 现在的泛型装的是[Thread]，原子引用线程
    AtomicReference<Thread>  atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void myLock() {
        // 获取当前进来的线程
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in ");

        // 开始自旋，期望值是null，更新值是当前线程，如果是null，则更新为当前线程，否者自旋
        while(!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {

        }
    }

    /**
     * 解锁
     */
    public void myUnLock() {

        // 获取当前进来的线程
        Thread thread = Thread.currentThread();

        // 自己用完了后，把atomicReference变成null
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t invoked myUnlock()");
    }

    public static void main(String[] args) {

        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

        // 启动t1线程，开始操作
        new Thread(() -> {

            // 开始占有锁
            spinLockDemo.myLock();


            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 开始释放锁
            spinLockDemo.myUnLock();

        }, "t1").start();


        // 让main线程暂停1秒，使得t1线程，先执行
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 1秒后，启动t2线程，开始占用这个锁
        new Thread(() -> {

            // 开始占有锁
            spinLockDemo.myLock();
            // 开始释放锁
            spinLockDemo.myUnLock();

        }, "t2").start();

    }
}

最后输出结果

t1	 come in 
.....五秒后.....
t1	 invoked myUnlock()
t2	 come in 
t2	 invoked myUnlock()

首先输出的是 t1 come in

然后1秒后，t2线程启动，发现锁被 t1占有，所有不断的执行 compareAndSet方法，来进行比较，直到 t1释放锁后，也就是 5 秒后，t2 成功获取到锁，然后释放 。

独占锁（写锁） / 共享锁（读锁） / 互斥锁

概念

独占锁： 指该锁一次只能被一个线程所持有。对 ReentrantLock 和 Synchronized 而言都是独占锁

共享锁： 指该锁可以被多个线程锁持有 。

对 ReentrantReadWriteLock 其读锁是共享，其写锁是独占；写的时候只能一个人写，但是读的时候，可以多个人同时读 。

为什么会有写锁和读锁

原来我们使用 ReentrantLock 创建锁的时候，是独占锁，也就是说一次只能一个线程访问，但是有一个读写分离场景，读的时候想同时进行，因此原来独占锁的并发性就没这么好了，因为读锁并不会造成数据不一致的问题，因此可以多个人共享读 。

多个线程 同时读一个资源类没有任何问题，所以为了满足并发量，读取共享资源应该可以同时进行，但是如果一个线程想去写共享资源，就不应该再有其它线程可以对该资源进行读或写 。

  • 读-读：能共存
  • 读-写：不能共存
  • 写-写：不能共存

实例

实现一个读写缓存的操作，假设开始没有加锁的时候，会出现什么情况

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * 资源类
 */
class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    // private Lock lock = null;

    /**
     * 定义写操作
     * 满足：原子 + 独占
     * @param key
     * @param value
     */
    public void put(String key, Object value) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在写入：" + key);
        try {
            // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(key, value);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 写入完成");
    }

    public void get(String key) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取:");
        try {
            // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Object value = map.get(key);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 读取完成：" + value);
    }


}
public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {

        MyCache myCache = new MyCache();
        // 线程操作资源类，5个线程写
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(tempInt + "", tempInt +  "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
        // 线程操作资源类， 5个线程读
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(tempInt + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

我们分别创建5个线程写入缓存

        // 线程操作资源类，5个线程写
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(tempInt + "", tempInt +  "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

5个线程读取缓存，

        // 线程操作资源类， 5个线程读
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(tempInt + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

最后运行结果：

0	 正在写入：0
4	 正在写入：4
3	 正在写入：3
1	 正在写入：1
2	 正在写入：2
0	 正在读取:
1	 正在读取:
2	 正在读取:
3	 正在读取:
4	 正在读取:
2	 写入完成
4	 写入完成
4	 读取完成：null
0	 写入完成
3	 读取完成：null
0	 读取完成：null
1	 写入完成
3	 写入完成
1	 读取完成：null
2	 读取完成：null

我们可以看到，在写入的时候，写操作都没其它线程打断了，这就造成了，还没写完，其它线程又开始写，这样就造成数据不一致！！！

解决方法

上面的代码是没有加锁的，这样就会造成线程在进行写入操作的时候，被其它线程频繁打断，从而不具备原子性，这个时候，我们就需要用到读写锁来解决了

/**
* 创建一个读写锁
* 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
*/
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

当我们在进行写操作的时候，就需要转换成写锁

// 创建一个写锁
rwLock.writeLock().lock();

// 写锁 释放
rwLock.writeLock().unlock();

当们在进行读操作的时候，在转换成读锁

// 创建一个读锁
rwLock.readLock().lock();

// 读锁 释放
rwLock.readLock().unlock();

这里的读锁和写锁的区别在于，写锁一次只能一个线程进入，执行写操作，而读锁是多个线程能够同时进入，进行读取的操作

完整代码：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * 资源类
 */
class MyCache {

    /**
     * 缓存中的东西，必须保持可见性，因此使用volatile修饰
     */
    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    /**
     * 创建一个读写锁
     * 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
     */
    private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    /**
     * 定义写操作
     * 满足：原子 + 独占
     * @param key
     * @param value
     */
    public void put(String key, Object value) {

        // 创建一个写锁
        rwLock.writeLock().lock();

        try {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在写入：" + key);

            try {
                // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            map.put(key, value);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 写入完成");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 写锁 释放
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    /**
     * 获取
     * @param key
     */
    public void get(String key) {

        // 读锁
        rwLock.readLock().lock();
        try {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取:");

            try {
                // 模拟网络拥堵，延迟0.3秒
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            Object value = map.get(key);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 读取完成：" + value);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 读锁释放
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }

    /**
     * 清空缓存
     */
    public void clean() {
        map.clear();
    }


}
public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {

        MyCache myCache = new MyCache();

        // 线程操作资源类，5个线程写
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(tempInt + "", tempInt +  "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 线程操作资源类， 5个线程读
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            // lambda表达式内部必须是final
            final int tempInt = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(tempInt + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

运行结果：

1	 正在写入：1
1	 写入完成
2	 正在写入：2
2	 写入完成
3	 正在写入：3
3	 写入完成
4	 正在写入：4
4	 写入完成
5	 正在写入：5
5	 写入完成
2	 正在读取:
3	 正在读取:
1	 正在读取:
4	 正在读取:
5	 正在读取:
2	 读取完成：2
1	 读取完成：1
4	 读取完成：4
3	 读取完成：3
5	 读取完成：5

从运行结果我们可以看出，写入操作是一个一个线程进行执行的，并且中间不会被打断，而读操作的时候，是同时5个线程进入，然后并发读取操作 。

补充：

为什么Synchronized无法禁止指令重排，却能保证有序性

前言

首先我们要分析下这道题，这简单的一个问题，其实里面还是包含了很多信息的，要想回答好这个问题，面试者至少要知道一下概念：

  • Java内存模型
  • 并发编程有序性问题
  • 指令重排
  • synchronized锁
  • 可重入锁
  • 排它锁
  • as-if-serial语义
  • 单线程&多线程
标准解答

为了进一步提升计算机各方面能力，在硬件层面做了很多优化，如处理器优化和指令重排等，但是这些技术的引入就会导致有序性问题。

先解释什么是有序性问题，也知道是什么原因导致的有序性问题

我们也知道，最好的解决有序性问题的办法，就是禁止处理器优化和指令重排，就像volatile中使用内存屏障一样。

表明你知道啥是指令重排，也知道他的实现原理

但是，虽然很多硬件都会为了优化做一些重排，但是在Java中，不管怎么排序，都不能影响单线程程序的执行结果。这就是as-if-serial语义，所有硬件优化的前提都是必须遵守as-if-serial语义。

as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器，runtime 和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial语义使单线程程序员无需担心重排序会 干扰他们，也无需担心内存可见性问题。

重点！解释下什么是as-if-serial语义，因为这是这道题的第一个关键词，答上来就对了一半了

再说下synchronized，他是Java提供的锁，可以通过他对Java中的对象加锁，并且他是一种排他的、可重入的锁。

所以，当某个线程执行到一段被synchronized修饰的代码之前，会先进行加锁，执行完之后再进行解锁。在加锁之后，解锁之前，其他线程是无法再次获得锁的，只有这条加锁线程可以重复获得该锁。

介绍synchronized的原理，这是本题的第二个关键点，到这里基本就可以拿满分了。

synchronized通过排他锁的方式就保证了同一时间内，被synchronized修饰的代码是单线程执行的。所以呢，这就满足了as-if-serial语义的一个关键前提，那就是单线程，因为有as-if-serial语义保证，单线程的有序性就天然存在了。

来源

https://mp.weixin.qq.com/s/Pd6dOXaMQFUHfAUnOhnwtw

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