并发编程05--线程锁

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#内置锁 #显示锁 #重入锁和非重入锁 #CAS

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多线程编程是为了保证线程安全，会用到锁，Java中提供了多种锁类型可以使用，下列列出几个常用的锁类型：

内置锁（sychronized）和显示锁（例如ReentrantLock）
重入锁和非重入锁
读写锁
CAS
乐观锁和悲观锁
公平锁和非公平锁
自旋锁

内置锁与显示锁

内置锁即是java提供的sychronized方式，可以分为同步方法和同步代码块，两种方式的核心都是对某个资源类进行加锁，可以是变量、类实例、或者字节码。

内置锁对象：

作用于非静态方法时，锁对象是this，即对象实例，同时刻只有一个线程可以操作改对象实例中的非静态同步方法；
作用于静态方法时，锁对象是该类的字节码，即同时刻只有一个线程可以操作改改字节码创建的所有实例对象中的静态同步方法；
作用于代码块时，锁对象是sychronized(obj)中的obj；

代码实例

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

显示锁（例如ReentrantLock），必须显示的指定加锁和解锁过程

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

内置锁与显示锁的区别：
1、锁的释放
    显示锁必须调用unlock方法才能释放锁，内置锁在同步方法或代码块执行完成后自动释放锁；
2、可尝试申请或定时早请
    显示锁提供尝试型申请方法（Lock.tryLock和Lock.tryLock(long time, TimeUnit unit)），
    内置锁不提供这种特性
3、确唤醒特定线程
    显示锁可以通过Condition对象（由显示锁派生出来），调用Condition.singal或Condition.singalAll方法可以唤醒在该Condition对象上等待的线程。以此来唤醒指定线程。
    内置锁的notify或notifyAll方法唤醒在其上等待的线程，但无法指定特定线程。
4、可中断申请
    显示锁提供可中断申请（lock.lockInterruptibly()，可中断申请, 在申请锁的过程中如果当前线程被中断, 将抛出InterruptedException异常）
    内置锁不可中断。（在申请锁时被其它线程持有，那么当前线程后挂起，挂起其间不可中断）
5、公平性
   内置锁是不公平锁，不能指定策略；
    显示锁可以指定公平策略，默认为不公平锁；

重入锁与非重入锁

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程在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，在上个代码事例中，同一个线程在获取到所对象后可以递归的调用其他同步方法。

可重入锁实例：

public class Lock{
    boolean isLocked = false;
    Thread  lockedBy = null;
    int lockedCount = 0;
    public synchronized void lock()
            throws InterruptedException{
        Thread thread = Thread.currentThread();
        while(isLocked && lockedBy != thread){
            wait();
        }
        isLocked = true;
        lockedCount++;
        lockedBy = thread;
    }
    public synchronized void unlock(){
        if(Thread.currentThread() == this.lockedBy){
            lockedCount--;
            if(lockedCount == 0){
                isLocked = false;
                notify();
            }
        }
    }
}

非重入锁即即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。

不可重入锁实例：

public class Lock{
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException{
        while(isLocked){    
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }
    public synchronized void unlock(){
        isLocked = false;
        notify();
    }
}
public class Count{
    Lock lock = new Lock();
    public void print(){
        lock.lock();
        doAdd();
        lock.unlock();
    }
    public void doAdd(){
        lock.lock();
        //do something
        lock.unlock();
    }
}

当前线程执行print()方法首先获取lock，接下来执行doAdd()方法就无法执行doAdd()中的逻辑，必须先释放锁。

读写锁

如果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。

读写锁的特点是：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存。

Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。

public class Cache {
	static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
	static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
	static Lock r = rwl.readLock();
	static Lock w = rwl.writeLock();

	// 获取一个key对应的value
	public static final Object get(String key) {
		r.lock();
		try {
			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
			Thread.sleep(100);
			Object object = map.get(key);
			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
			System.out.println();
			return object;
		} catch (InterruptedException e) {

		} finally {
			r.unlock();
		}
		return key;
	}

	// 设置key对应的value，并返回旧有的value
	public static final Object put(String key, Object value) {
		w.lock();
		try {
			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
			Thread.sleep(100);
			Object object = map.put(key, value);
			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
			System.out.println();
			return object;
		} catch (InterruptedException e) {
		} finally {
			w.unlock();
		}
		return value;
	}

	// 清空所有的内容
	public static final void clear() {
		w.lock();
		try {
			map.clear();
		} finally {
			w.unlock();
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					Cache.put(i + "", i + "");
				}
			}
		}).start();
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				for (int i = 0; i < 10; i++) {
					Cache.get(i + "");
				}
			}
		}).start();
	}
}

CAS

什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*，其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

CAS算法理解

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：1 在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；2 它天生就是死锁免疫的。

3 CAS算法的过程：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。

CAS（乐观锁算法）的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{

备份旧数据；

基于旧数据构造新数据；

}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

（上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。）

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
   int v;
   do {
     v = getIntVolatile(o, offset);
   } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
   return v;
}
/** 
 * Atomically increments by one the current value.  
 * @return the updated value 
 */  
public final int incrementAndGet() {  
    for (;;) {  
	    //获取当前值  
    	int current = get();  
	    //设置期望值  
    	int next = current + 1;  
	    //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  
    	if (compareAndSet(current, next))  
	    //成功后才会返回期望值，否则无线循环  
	        return next;  
	}  
}

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

悲观锁和乐观锁

乐观锁

总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

核心SQL语句

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};

CAS操作方式：即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

悲观锁

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

公平锁和非公平锁

公平锁：

公平和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表，表结点node的值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依次从队首取值。

锁的实现方式是基于如下几点：

表结点node和状态state的volatile关键字。

sum.misc.Unsafe.compareAndSet的原子操作

非公平锁：

在等待锁的过程中，如果有任意新的线程妄图获取锁，都是有很大的几率直接获取到锁的。

总结：公平锁就是先到先得，按序进行。非公平锁就是不排队直接拿，失败再说。

自旋锁

自旋锁（spinlock）：是指尝试去获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换消耗，缺点是循环会消耗CPU。

由于自旋锁的拥有着保持锁的时间比较短，因此选择自旋而非睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。

自旋锁和互斥锁的区别

无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁。

互斥锁：线程会从sleep（加锁）--> running（解锁），过程中有上下文的切换，cpu的抢占，信号的发送等开销。

自旋锁：线程一直running（加锁 --> 解锁），死循环检测锁的标志位，机制不复杂。

实现自旋

如果发现锁定了，不是随眠等待，而是采用让在当前线程不停的在循环体内执行实现的，当循环条件被其他线程改变时才能进入临界区

自旋锁存在的问题

等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU，使用不当会造成CPU使用率极高。
上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。

自旋锁的优点

自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的，不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快
非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。（线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

实例：

CAS锁便是一种自旋锁。