Java“锁”事

目录

• 1、乐观锁 VS 悲观锁
• 2、自旋锁 VS 自适应自旋锁
• 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、共享锁 VS 独享锁

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前言

        Java提供了多种类的锁，每种锁因其特性的不同，在适当的场景下能够展现出非常高的效率 

1、乐观锁 VS 悲观锁

               

        对于同一个数据的并发操作，悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

        而乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

根据从上面的概念描述我们可以发现：

        悲观锁：

                ①适用于写操作多的场景，加锁的特点可以保证写操作的正确性

                ②因为加锁的缘故会导致阻塞，降低吞吐量，可能引发死锁

        乐观锁：

                ①适用于多操作多的场景，不加锁的特点能够使读操作性能大幅提升

                ②CAS的方式会出现：ABA问题，循环时间长开销大等问题

2、自旋锁 VS 自适应自旋锁

        阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

        在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

        而自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，就是在自旋锁的基础上，​根据历史自旋结果动态调整自旋策略：

        ​        成功经验：若历史自旋后成功获取锁，下次可能延长自旋时间

​                失败经验：若历史多次自旋失败，则减少自旋次数或直接放弃自旋，转为阻塞

3、无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

 Synchronized底层实现原理：

①锁对象在加了synchronized之后，对象头中的Mark Word中就存了一个Monitor的地址指针。

②当一个线程获取到锁之后，Monitor中的Owner属性指向了该获得锁的线程。

③当锁还没释放时，其他的线程来获得锁，就会进入EntryList等待队列中等待。

④当线程2释放锁之后，通知Monitor中的等待队列中的线程，通过一些策略进行选择一个线程拿出来并且获得锁，把Owner指向该获得锁的线程。

⑤当一个线程获取到锁后，发现自身任不满足一些条件，就会调用wait()方法进入Wait_Set中等待(此时线程是进入了Waiting状态)，当另一个线程获得锁并且把条件送过来了(即调用notify()唤醒Wait_Set方法中的一个线程或者使用notifyAll()唤醒所有的线程)，然后线程就可以再次进入EntryList中去竞争获得锁。

锁升级的过程：

        ①无锁：无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

        ②偏向锁：指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价，并且会在对象头里存储锁偏向的线程ID，在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁

        ③轻量级锁：当有多个线程对资源进行竞争，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能

        ④重量级锁：但是当自旋超过一定的次数(默认是10次)，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁，重量级锁除了获取到资源的线程可以操作外，其他的线程都会进行阻塞等待

4、公平锁 VS 非公平锁

        公平锁是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。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是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

        非公平锁是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。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁。非公平锁的优点是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。缺点是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。

        以AQS为例，其维护了一个等待队列(CLH队列)，当是公平锁FairSync的时候，线程来竞争锁的时候，会先判断同步队列中是否为空，如果为空则获取到锁，否则就进入队列中等待。当如果是非公平锁NonfairSync的时候，线程来竞争锁的时候会直接尝试获取锁，如果竞争失败则进入队列。

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。

         还是以AQS为例，其维护了一个同步状态Status用于记录重入的次数。

        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、共享锁 VS 独享锁

        

         独享锁是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。

        共享锁是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。

         以AQS为例，当是独享锁的时候，Status为0/1，表示是否占有锁(可重入锁则表示重入次数)，当是共享锁的时候，Status则是记录持有锁的数量。

        但是这边再以ReentrantReadWriteLock读写锁为例，它允许多个线程同时读取共享资源，但在写入时独占资源，从而在高并发读多写少的场景中提高性能。

        我们看到ReentrantReadWriteLock有两把锁：ReadLock和WriteLock，由词知意，一个读锁一个写锁，合称“读写锁” 。有两把锁我们只有一个Status怎么表示出各所代表的意思呢？于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分，高16位表示读锁状态（读锁个数），低16位表示写锁状态（写锁个数）

1. 读锁的实现

• ​获取读锁：
  • 检查是否有线程持有写锁（state & 0xFFFF != 0），若有则等待。
  • 若无写锁，则通过 CAS 增加读锁的持有次数（state += 1 << 16）。
• ​释放读锁：
  • 通过 CAS 减少读锁的持有次数（state -= 1 << 16）。

​2. 写锁的实现

• ​获取写锁：
  • 检查是否有线程持有读锁或写锁（state != 0），若有则等待。
  • 若无其他锁，则通过 CAS 设置写锁的持有次数（state += 1）。
• ​释放写锁：
  • 通过 CAS 减少写锁的持有次数（state -= 1）。

 ​3. 锁降级

        锁降级是指 ​在持有写锁的同时获取读锁，然后释放写锁，从而将写锁降级为读锁。锁降级的目的是在保证数据一致性的同时，允许其他线程读取数据。        

内容参考：  美团技术团队的高质量文章