Java中的一些相关锁

目录

1. 乐观锁 VS 悲观锁

2. 自旋锁 VS 适应性自旋锁

3. 无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

4. 公平锁 VS 非公平锁

5. 可重入锁 VS 非可重入锁

6. 独享锁(排他锁) VS 共享锁

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1. 乐观锁 VS 悲观锁

悲观锁：适合写操作多的场景

认为在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，所以会在取数据的时候先加锁，确保数据不会被别的线程修改

乐观锁：适合读操作多的场景

认为在使用数据时不会有别的线程来修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据时去判断是否有其他线程更新了这个数据，如果没有更新，当前线程将自己修改的数据成功写入，如果已经被更新，会根据不同的实现方式执行不同的操作（报错

2. 自旋锁 VS 适应性自旋锁

        当某个线程尝试获取同步资源的锁失败，资源被占用时，使用自旋锁会不放弃CPU时间片，通过自旋等待锁的释放，等待一段时间后，通过自旋操作减少CPU切换以及恢复线程导致的消耗。而非自旋锁则会去通过CPU切换状态，使当前线程休眠，CPU切换线程执行其他操作，当占用同步资源的线程释放了锁，恢复线程，再次去尝试获取锁。

缺点：不能代替阻塞。自旋等待时间虽然避免了线程切换的开销，但是会占用处理器时间，如果锁占用时间很短，自旋等待的效果会非常好，反之就会白白浪费处理器资源（所以默认自旋次数为10次）

自适应自旋锁：

​        自旋的时间不在固定，而是由前一次在同一个锁上的 自旋时间及锁拥有者的状态来决定，如果在同一个锁对象上，自选等待刚刚成功获取过锁，并且持有的锁正在运行中，JVM就会认为该锁自旋获取锁的可能性很大，就会自动增加等待时间。相反，如果某个锁通过自旋很少就成功获取了锁，那么以后获取将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

3. 无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

        第一部分用于存储对象自身的运行时数据，HashCode、GC Age、锁标记位、是否为偏向锁等。一般为32位或者64位(视操作系统位数定)。官方称之为Mark Word，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。 另外一部分存储的是指向方法区对象类型数据的指针(Klass Point)，如果对象是数组的话，还会有一个额外的部分用于存储数据的长度

轻量级锁：可以减少重量级锁对线程的阻塞带来的线程开销

轻量级锁加锁：

        在线程执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建一个名为锁记录(Lock Record)的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝(JVM会将对象头中的Mark Word拷贝到锁记录中，

 

        如果当前对象没有被锁定，那么锁标志位为01状态，JVM在执行当前线程时，首先会在当前线程栈帧中创建锁记录Lock Record的空间用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。

        然后，虚拟机使用CAS操作将标记字段Mark Word拷贝到锁记录中，并且将Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果更新成功了，那么这个线程就有用了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位更新为(Mark Word中最后的2bit)00，即表示此对象处于轻量级锁定状态。

 

如果更新失败：

        JVM会检查当前的Mark Word中是否存在指向当前线程的栈帧的指针，如果有，说明该锁已经被获取，可以直接调用。如果没有，则说明该锁被其他线程抢占了，如果有两条以上的线程竞争同一个锁，那轻量级锁就不再有效，直接膨胀位重量级锁，没有获得锁的线程会被阻塞。此时，锁的标志位为10.Mark Word中存储的时指向重量级锁的指针。

轻量级解锁：

        使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头中，如果成功，则表示没有发生竞争关系。如果失败，表示当前锁存在竞争关系。锁就会膨胀成重量级锁。

偏向锁：

        当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和推出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁。

 

对比

锁	优点	缺点	使用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要CAS操作，没有额外的性能消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了响应速度	如线程成始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU性能	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不适用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢，在多线程下，频繁的获取释放锁，会带来巨大的性能消耗	追求吞吐量，同步块执行速度较长

总结： 偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用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。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

4. 公平锁 VS 非公平锁

公平锁：

指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。

优点：等待锁的线程不会饿死。

缺点：整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁：

多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。

优点：可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。

缺点：处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

5. 可重入锁 VS 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。

 

 

当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行status+1，且当前线程可以再次获取锁。而非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞。

释放锁时，可重入锁同样先获取当前status的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果status-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁。而非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将status置为0，将锁释放。

6. 独享锁(排他锁) VS 共享锁

独享锁也叫排他锁：

指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。

共享锁：

指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。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。