Java中的锁机制

悲观锁、乐观锁

悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题,在每次查询时加上排他锁。
每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。
Select * from xxx for update;//for update 相当与悲观锁
乐观锁:乐观锁会乐观的认为每次查询都不会造成更新丢失,利用版本字段控制。

重入锁

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 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。
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。

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。

CAS无锁机制

(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,E表示预期值,N表示新值。仅当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。
(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。
在这里插入图片描述

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。

<think>首先,用户的问题是:“我想了解Java锁机制的相关信息 请问Java锁机制介绍”。所以,我需要提供一个清晰的解释Java锁机制的介绍。 从系统级指令: - 所有行内数学表达式必须使用$...$格式。但在这个上下文中,Java锁机制是关于编程的,可能没有数学表达式。如果有变量或概念,我需要处理。例如,提到CAS时,可能有数学概念,但可能不需要数学格式。指令说“包括变量、不等式、方程等”,但在Java锁机制中,常见的是变量如锁对象或线程概念。如果需要,我可以使用$...$,但尽量不要过度应用。 - 独立公式使用$$...$$并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题:在回答末尾生成相关问题,用§§相关问题§§分隔。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如[^1]。引用来自用户提供的引用:[^1], [^2], [^3], [^4]。这些引用是关于Java锁机制的,所以我应该在回答中提到这些概念时引用它们。 用户提供的引用: - [^1]: 提到锁的分类:公平锁/非公平锁等。 - [^2]: 详细目录结构,涉及锁的分类、ReentrantReadWriteLock、synchronized等。 - [^3]: 关于可重入锁的例子。 - [^4]: 解释可重入锁的定义和优点。 我的回答需要引用这些内容,自然地添加引用标识。 回答结构: - 结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证真实可靠。 - 使用中文。 主题:Java锁机制介绍。 核心内容包括: - 锁的基本概念:锁是用于线程同步的机制,防止多个线程同时访问共享资源。 - 分类:参考引用,列出常见的锁类型: - 公平锁 vs 非公平锁 - 可重入锁 vs 不可重入锁 - 独占锁 vs 共享锁 - 互斥锁 vs 读写锁 - 乐观锁 vs 悲观锁 - 分段锁 - 偏向锁/轻量级锁/重量级锁 - 自旋锁 - Java中的具体实现:如synchronized关键字、ReentrantLock类等。 - 锁的升级和优化:如从偏向锁到重量级锁的升级。 - 优点和用例:避免死锁、提高性能。 逐步介绍: 1. 引言:什么是Java锁机制?它是用于多线程编程中确保线程安全的工具。 2. 锁的分类:简要介绍主要类别。 3. 详细解释关键锁类型,如可重入锁(参考[^4]),使用例子。 4. Java中的实现:介绍synchronized和ReentrantLock。 5. 锁的状态升级:偏向锁、轻量级锁、重量级锁(参考[^2])。 6. 总结锁的重要性。 生成相关问题:在回答结束后,添加相关问题部分,标记为§§相关问题§§。 引用添加:当提到具体概念时,自然地添加引用标识。例如: - “可重入锁允许同一个线程多次获取同一把锁,避免死锁”[^4]。 - 确保引用是自然的。 避免数学表达式除非必要。在Java锁机制中,可能涉及CAS操作,如果提到,可以写成$CAS$ if needed, but it's not mathematical. CAS是Compare and Swap,可以用$...$包裹变量。 回答结构: - 开头:介绍Java锁机制。 - 主体:分小节解释关键点。 - 结尾:总结。 - 然后相关问题。 确保回答真实可靠:基于提供的引用和一般知识。 最终输出: - 用中文。 - 末尾有相关问题。 </think>以下是关于 Java 锁机制的详细介绍。Java 锁机制是多线程编程中用于实现线程同步的关键工具,它可以防止多个线程同时访问共享资源,从而避免数据不一致和并发问题。锁机制并非 Java 独有,但 Java 提供了丰富的内置实现(如 `synchronized` 关键字和 `java.util.concurrent.locks` 包)。接下来,我将从基础概念、常见分类、Java 核心实现等方面逐步解释,帮助您全面理解。本文内容基于您提供的引用进行整理,确保真实可靠。 ### 1. Java 锁机制的基本概念 Java 锁机制主要用于解决多线程环境下的资源竞争问题。当多个线程访问共享数据时,锁可以确保只有一个线程在特定时间内执行关键代码(临界区),从而实现线程安全。锁的核心作用是实现同步,防止并发错误如死锁或数据竞争。锁机制Java 中广泛应用于数据库操作、缓存管理等高并发场景[^1]。 ### 2. Java 锁的主要分类 Java 锁可以根据不同特性进行分类。以下是常见分类(基于引用内容整理),每个类别都有其适用场景: - **公平锁 vs 非公平锁**: - 公平锁:线程获取锁的顺序遵循先来先服务原则(FIFO),确保公平性,但可能导致性能开销。例如,`ReentrantLock` 可以通过构造函数设置为公平模式。 - 非公平锁:线程获取锁的顺序不保证公平性,可能导致线程“插队”,但通常性能更高(默认模式)。 - **可重入锁 vs 不可重入锁**: - 可重入锁:同一个线程可以多次获取同一把锁,而不会造成死锁。这在递归调用或嵌套方法中尤为重要。Java 中的 `synchronized` 和 `ReentrantLock` 都是可重入锁。例如,在方法调用链中,线程获取锁后进入内层方法会自动持有锁[^4]。 ```java public class Test { public void a() { ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 创建一个公平的可重入锁 lock.lock(); // 第一次获取锁 lock.lock(); // 第二次获取锁不会阻塞,因为可重入 // ... 执行代码 lock.unlock(); // 需要对应解锁 lock.unlock(); } } ``` - 不可重入锁:如果线程重复获取同一把锁,会引发死锁,因为锁无法被再次获取。 - **独占锁(写锁) vs 共享锁(读锁)**: - 独占锁:仅允许一个线程持有锁,用于写操作,防止其他线程读或写。例如,`ReentrantLock` 默认是独占锁。 - 共享锁:允许多个线程同时持有锁,用于读操作,提高并发性能。`ReentrantReadWriteLock` 实现了读写分离,读锁是共享的,写锁是独占的[^2]。 - **乐观锁 vs 悲观锁**: - 乐观锁:假设并发冲突较少,不使用锁,仅在提交时检测冲突(如使用 CAS 操作)。适合读多写少场景,例如 `java.util.concurrent.atomic` 包中的原子类。 - 悲观锁:假设并发冲突频繁,始终使用锁保护资源。例如 `synchronized` 关键字。 - **其他分类**: - **互斥锁 vs 读写锁**:互斥锁是独占锁的特例;读写锁结合了共享和独占特性(如 `ReentrantReadWriteLock`)。 - **分段锁**:将数据分成多个段,每个段独立加锁,减少锁竞争。例如 `ConcurrentHashMap` 的实现。 - **偏向锁/轻量级锁/重量级锁**:这是锁状态升级的过程(详见第 4 节)。 - **自旋锁**:线程在获取锁失败时,不立即阻塞,而是循环尝试(自旋),减少上下文切换开销。常用于短时操作[^2]。 ### 3. Java 中的核心锁实现 Java 提供了多种锁实现,主要分为两类: - **内置锁(synchronized)**:使用 `synchronized` 关键字实现,是一种可重入的互斥锁。它自动管理锁状态升级(从偏向锁到重量级锁),简化编程但灵活性较低。 ```java public synchronized void method() { // 临界区代码 } ``` - **显式锁(java.util.concurrent.locks)**:通过 `Lock` 接口及其实现类提供更丰富的功能。 - `ReentrantLock`:可重入锁,支持公平性和不公平性设置,提供 `tryLock` 等高级方法。 - `ReentrantReadWriteLock`:实现读写分离,提高读操作的并发性。 - `StampedLock`(JDK 8+):邮戳锁,结合乐观锁机制,性能更高,适合读多写少场景[^2]。 - `Condition`:条件变量,允许线程在特定条件下等待或唤醒,常用于生产者-消费者模式。 ### 4. 锁的状态升级和优化 Java 锁(尤其是 `synchronized`)会根据线程竞争情况动态升级状态,以平衡性能和安全性: - **无锁**:初始状态,没有线程竞争。使用 CAS(Compare and Swap)操作实现原子更新(例如 $CAS(\text{expectedValue}, \text{newValue})$ 比较并交换变量)。 - **偏向锁**:当只有一个线程访问时,锁被“偏向”该线程,减少开销。实现原理是标记线程 ID 在对象头中[^2][^4]。 - **轻量级锁**:当多个线程轻度竞争时,使用自旋等待。线程通过 CAS 尝试获取锁,避免阻塞。 - **重量级锁**:当竞争激烈时,锁升级为重量级锁,线程进入阻塞状态,依赖操作系统互斥量。这会增加开销但保证公平性。 锁升级的过程是不可逆的,旨在优化并发性能,避免不必要的系统调用[^2]。 ### 5. 锁机制的优势和注意事项 - **优势**:可重入锁能预防死锁(如递归调用),共享锁提升读取并发性,乐观锁减少锁争用。整体上,锁机制确保了线程安全和数据一致性。 - **注意事项**: - 过度使用锁可能导致性能瓶颈或死锁(例如线程相互等待)。 - 优先选择高级锁(如 `StampedLock`)来优化性能。 - 使用工具如 `CountDownLatch` 或 `Semaphore` 辅助线程协调[^2]。 Java 锁机制是多线程编程的基石,理解其分类和实现可以帮助您设计高效的并发应用。建议通过实际代码(如上述示例)加深理解。
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