JAVA锁机制

原创 已于 2022-04-14 17:00:31 修改 · 4.3k 阅读 · 34 ·
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于 2022-04-14 16:56:31 首次发布

锁机制

一、介绍

锁机制是用来实现线程间同步的基础，并非是JAVA中独有的概念。本篇主要讲JAVA中的锁，按照锁分类，有以下几种锁

  • 公平锁/非公平锁
  • 可重入锁/不可重入锁
  • 独占锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 乐观锁/悲观锁
  • 分段锁
  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
  • 自旋锁

但这些锁并不完全指的是锁，有的是锁设计，有的是锁状态，也有的是锁的特性。

下面就介绍一下关于这些锁

二、公平锁/非公平锁

1. 公平锁

就是指当多个线程都要申请锁时，需要按照申请锁的先后顺序来进行获取。

2. 非公平锁

指当多个线程申请锁时，无法确定哪一个线程会获取锁，与申请的先后顺序无关

💡 非公平锁相较于公平锁，吞吐量上会更具优势。JAVA中的synchronized关键字和ReentrantLock都是非公平锁，但ReentrantLock是通过AQS实现的线程调度，所以可以**使ReentrantLock变为公平锁；**synchronized则没有办法变为公平锁。

三、可重入锁/不可重入锁

1. 可重入锁

顾名思义就是说可以重复获取的锁，但仅仅针对同一个的线程。对于同一个线程来说，如果该对象已经获取到了该锁并且没有释放，那么它可以继续获取该锁而不会造成死锁。

2. 不可重入锁

与可重入锁相反，即使是同一个线程，在持有锁的状态下继续申请该锁，也同样造成死锁的问题。也就是说这种锁不可以递归调用，一旦递归调用就会造成死锁。

💡 ReentrantLock翻译过来就是可重入锁，所以听名字就知道他是可重入的，而synchronized实际上也是一个可重入锁

如何判断一个锁是否使可重入锁呢？

class Test{
   
   
	public void a(){
   
   
		ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
		lock.lock();
		// 重复调用锁不会造成死锁即是不可重入锁
		lock.lock();
	}
}

四、独占锁/共享锁

1. 独占锁

在同一时间只有一个线程可以获取到这个锁，也就是说不会存在两个线程同时持有一把锁的情况，当一个线程获取到锁，其他线程就会阻塞。

2. 共享锁

允许有多个线程同时获取到该锁，不同线程获取同一把锁时不会阻塞。

五、互斥锁/读写锁

1. 互斥锁

互斥锁的效果和概念类似于独占锁，都是在同一时刻只能有一个线程获取到锁。（我不太清楚互斥锁和独占锁之间是否有区别，有知道的朋友可以留言告诉我一下。）

2. 读写锁

读写锁就是一种互斥锁。我们知道多线程读文件不会导致并发问题，但多线程写就存在并发问题。所以在读-读的场景下是不存在互斥关系的，但在读-写，写-写的场景下是存在互斥关系的，当一个线程持有了写锁，那么其他任何线程都不能获取读锁或者写锁。

💡 读写锁是一种特殊的独占锁，因为读-读的场景下并不存在互斥关系，而读-写，写-写的场景下存在互斥关系，所以读写锁更适用于读多写少的场景。

六、乐观锁/悲观锁

1. 乐观锁

乐观锁实际上并不是锁，他总是乐观的认为在他要修改数据的时候，其他线程不会进行修改。仅仅只是在更新数据的时候判断数据是否被更改。我们一般使用CAS算法+版本号进行实现。

💡 单纯使用CAS算法的话存在ABA问题，也就是说数据从A变到了B，又从B变了A，这时候CAS算法就会认为数据没有发生变更。所以我们需要添加版本号解决该问题，

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<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。锁机制在 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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