JAVA中的锁机制

最新推荐文章于 2025-05-08 10:05:16 发布

yolosliu

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分类专栏： java 文章标签： java 锁机制

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/github_36601823/article/details/60578044

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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 和 ReentrantLock等等 ) 。java平台下的锁如下所示：

1、自旋锁
2、自旋锁的其他种类
3、阻塞锁
4、可重入锁
5、读写锁
6、互斥锁
7、悲观锁
8、乐观锁
9、公平锁
10、非公平锁
11、偏向锁
12、对象锁
13、线程锁
14、锁粗化
15、轻量级锁
16、锁消除
17、锁膨胀
18、信号量

1、自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区。如下

 
   public class SpinLock {
  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();
  public void lock(){
    Thread current = Thread.currentThread();
    while(!sign .compareAndSet(null, current)){
    }
  }
  public void unlock (){
    Thread current = Thread.currentThread();
    sign .compareAndSet(current, null);
  }
} 
   
 
  
  

使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。

2.自旋锁的其他种类

在自旋锁中另有三种常见的锁形式:TicketLock ，CLHlock 和MCSlock

Ticket锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核cpu上

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class TicketLock {
    private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
    private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
    private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL= new ThreadLocal<Integer>();
    public void lock() {
        int myticket = ticketNum.getAndIncrement();
        LOCAL.set(myticket);
        while (myticket != serviceNum.get()) {
        }
    }
    public void unlock() {
        int myticket = LOCAL.get();
        serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);
    }
}

 
 每次都要查询一个serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他cpu修改）。 

CLHLock 和MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序，

 
   import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class CLHLock {
    public static class CLHNode {
        private volatile boolean isLocked = true;
    }
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile CLHNode tail;
    private static final ThreadLocal<CLHNode>  LOCAL   = new ThreadLocal<CLHNode>();
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class,CLHNode.class, "tail");
    public void lock() {
        CLHNode node = new CLHNode();
        LOCAL.set(node);
        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
        if (preNode != null) {
            while (preNode.isLocked) {
            }
            preNode = null;
            LOCAL.set(node);
        }
    }
    public void unlock() {
        CLHNode node = LOCAL.get();
        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
            node.isLocked = false;
        }
        node = null;
    }
}
 
   
 
  
  

CLHlock是不停的查询前驱变量，导致不适合在NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）

MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class MCSLock {
    public static class MCSNode {
        volatile MCSNode next;
        volatile boolean isLocked = true;
    }
private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile MCSNode queue;
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "queue");
    public void lock() {
        MCSNode currentNode = new MCSNode();
        NODE.set(currentNode);
        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
        if (preNode != null) {
            preNode.next = currentNode;
            while (currentNode.isLocked) {
            }
        }
    }
    public void unlock() {
        MCSNode currentNode = NODE.get();
        if (currentNode.next == null) {
            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {
            } else {
                while (currentNode.next == null) {
                }
            }
        } else {
            currentNode.next.isLocked = false;
            currentNode.next = null;
        }
    }
}

从代码上看，CLH 要比 MCS 更简单，

CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性。

MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性。

JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁即是 CLH锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。

三、阻塞锁：

阻塞锁，与自旋锁不同，改变了线程的运行状态。
在JAVA环境中，线程Thread有如下几个状态：

1，新建状态

2，就绪状态

3，运行状态

4，阻塞状态

5，死亡状态

阻塞锁，可以说是让线程进入阻塞状态进行等待，当获得相应的信号（唤醒，时间）时，才可以进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。
JAVA中，能够进入\退出、阻塞状态或包含阻塞锁的方法有，synchronized 关键字（其中的重量锁），ReentrantLock，Object.wait()\notify(),LockSupport.park()/unpart()(j.u.c经常使用)

下面是一个JAVA 阻塞锁实例

 
   import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class CLHLock1 {
    public static class CLHNode {
        private volatile Thread isLocked;
    }
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile CLHNode tail;
    private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL   = new ThreadLocal<CLHNode>();
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock1, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock1.class,CLHNode.class, "tail");
    public void lock() {
        CLHNode node = new CLHNode();
        LOCAL.set(node);
        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
        if (preNode != null) {
            preNode.isLocked = Thread.currentThread();
            LockSupport.park(this);
            preNode = null;
            LOCAL.set(node);
        }
    }
    public void unlock() {
        CLHNode node = LOCAL.get();
        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
            System.out.println("unlock\t" + node.isLocked.getName());
            LockSupport.unpark(node.isLocked);
        }
        node = null;
    }
}
 
   
 
  
    
  

在这里我们使用了LockSupport.unpark()的阻塞锁。该例子是将CLH锁修改而成。

阻塞锁的优势在于，阻塞的线程不会占用cpu时间，不会导致 CPu占用率过高，但进入时间以及恢复时间都要比自旋锁略慢。

在竞争激烈的情况下阻塞锁的性能要明显高于自旋锁。

理想的情况则是; 在线程竞争不激烈的情况下，使用自旋锁，竞争激烈的情况下使用，阻塞锁。

四、可重入锁：

本文里面讲的是广义上的可重入锁，而不是单指JAVA下的ReentrantLock。

可重入锁，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。
在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁

下面是使用实例

public class Test implements Runnable{
    public synchronized void get(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
    }
    public synchronized void set(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
    }
    @Override
    public void run() {
       get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test ss=new Test();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

 
   public class Test implements Runnable {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
        lock.unlock();
    }
    public void set() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        lock.unlock();
    }
    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test ss = new Test();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

 
  

 
     
 
   两个例子最后的结果都是正确的，即 同一个线程id被连续输出两次。
 
 结果如下：
 
 Threadid: 8
 Threadid: 8
 Threadid: 10
 Threadid: 10
 Threadid: 9
 Threadid: 9
 
 可重入锁最大的作用是避免死锁
 我们以自旋锁作为例子， 
  
 
   public class SpinLock {
private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
	public void lock(){
		Thread current = Thread.currentThread();
		while(!owner.compareAndSet(null, current)){
		}
	}
	public void unlock (){
		Thread current = Thread.currentThread();
		owner.compareAndSet(current, null);
	}
} 
   
 
 对于自旋锁来说，
 1、若有同一线程两调用lock() ，会导致第二次调用lock位置进行自旋，产生了死锁
 说明这个锁并不是可重入的。（在lock函数内，应验证线程是否为已经获得锁的线程）
 2、若1问题已经解决，当unlock（）第一次调用时，就已经将锁释放了。实际上不应释放锁。
 （采用计数次进行统计）
 修改之后，如下：
 
  
   public class SpinLock1 {
	private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
	private int count =0;
	public void lock(){
		Thread current = Thread.currentThread();
		if(current==owner.get()) {
		count++;
		return ;
	}
	while(!owner.compareAndSet(null, current)){
	}
}
public void unlock (){
	Thread current = Thread.currentThread();
	if(current==owner.get()){
		if(count!=0){
		count--;
		}else{
			owner.compareAndSet(current, null);
		}
	}

} 
  

该自旋锁即为可重入锁。