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Lock的种类
我们平时听到用到的锁有很多种:公平锁/非公平锁、可重入锁/不可重入锁、共享锁/排他锁、乐观锁/悲观锁、分段锁、偏向锁/轻量级锁/重量级锁、自旋锁。其实这些都是在不同维度或者锁优化角度对锁的一种叫法,我们在程序中用到的也就那么几种,比如synchronized,ReentrantLock,ReentrantReadWriteLock。

ReentrantLock类

Jdk1.5新增的ReentrantLock类和synchronized关键字一样可以实现线程间同步互斥,但是它在拓展功能上更加强大,比如嗅探锁定多路分支等功能,使用的时候也比synchronized更加灵活。
使用Condition对象可以实现类似synchronized的wait()/notify()/notifyAll()同样的功能。Condition有更好的灵活性,比如可以实现多路通知功能,也就是在一个Lock对象中创建多个Condition(即对象监视器)实例,线程对象可以注册在指定的Condition中,从而可以有选择性的进行线程通知,在调度线程上更加灵活。
在使用notify()/notifyAll()方法进行通知时,被通知的线程是由JVM随机选择的,但是使用ReentrantLock和Condition可以实现“选择性通知”,这个功能是非常重要的,而且在Condition类时默认提供的。
而synchronized就相当于整个Lock对象中只有一个单一的Condition对象,所有的线程都注册在它一个对象身上,线程开始notifyAll时,需要通知所有的waiting线程,没有选择权,会出现相当大的效率问题。
signal()和signalAll()区别
signalAll通知所有使用了同一个Condition对象的线程。signal()通知所有使用了Condition对象的某一个线程,通过源码可以看到通知的线程是位于队首的那个。

锁的类型

锁/类型
公平/非公平锁
可重入/不可重入锁
共享/独享锁
乐观/悲观锁
synchronized
非公平锁
可重入锁
独享锁
悲观锁
ReentrantLock
都支持
可重入锁
独享锁
悲观锁
ReentrantReadWriteLock
都支持
可重入锁
读锁-共享,写锁-独享
悲观锁

一. 公平锁和非公平锁

公平锁表示线程获取锁顺序是按照线程加锁的顺序来分配的,即FIFO顺序。而非公平锁就是一种获取锁的抢占机制,是随机获得锁的。有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁,可能会造成优先级反转或者饥饿现象。
在公平的锁中,如果有另一个线程持有锁或者有其他线程在等待队列中等待这个所,那么新发出的请求的线程将被放入到队列中。而非公平锁上,只有当锁被某个线程持有时,新发出请求的线程才会被放入队列中。
对于ReentrantLock而言,通过构造函数指定该锁是否是公平锁,默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
// ReentrantLock的构造器
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
对于Synchronized而言,也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

二. 可重入锁和不可重入锁

可重入锁又名递归锁,直指同一个线程在外层方法获得锁之后,在进入内层方法时,会自动获得锁。ReentrantLockSynchronized都是可重入锁。可重入锁的好处之一就是在一定程度上避免死锁。下面通过构建可重入锁和不可重入锁来详细的了解一下。
首先看一个类的定义:
package com.wangjun.thread.IsReentrantLock;
public class Test {
Lock1 lock = new Lock1();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Test t = new Test();
t.test1();
}
public void test1() throws InterruptedException {
lock.lock();
System.out.println("test1方法执行...调用test2方法");
test2();
lock.unLock();
}
public void test2() throws InterruptedException {
lock.lock();
System.out.println("test2方法执行...");
lock.unLock();
}
}
如果Lock1是一个不可重入锁,那么test1执行的时候已经拿到了锁,再调用test2,由于test2一直获取不到锁,因此会进入死锁状态。
我们来看一下将Lock1实现为不可重入锁:
package com.wangjun.thread.IsReentrantLock;
/*
* 不可重入锁设计
*/
public class Lock1 {
private boolean lock = false;
public synchronized void lock() throws InterruptedException {
while(lock) {
wait();
}
lock = true;
}
public synchronized void unLock() {
lock = false;
notify();
}
}
不可重入锁的弊端可以清晰的看到,那么如何构造一个可重入锁呢?我们来看一下可重入锁Lock2的设计:
package com.wangjun.thread.IsReentrantLock;
public class Lock2 {
private boolean lock = false; //记录是否有线程获得锁
private Thread curThread = null; //记录获得锁的线程
private int lockCount = 0; //记录加锁次数
public synchronized void lock() throws InterruptedException {
Thread thread = Thread.currentThread();
//如果已经加锁并且不是等当前线程,那么就等待
while(lock && thread != curThread) {
wait();
}
lock = true; //线程获得锁
lockCount++; //加锁次数+1
curThread = thread; //获得锁的线程等于当前线程
}
public synchronized void unLock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
// 如果是获得锁的线程调用unLock,那么加锁次数减一
if(thread == curThread) {
lockCount--;
//所有的加锁都释放,通知其他线程可以获得锁了
if(lockCount == 0) {
notify();
}
}
}
}
将测试类的:
Lock1 lock = new Lock1();
换成
Lock2 lock = new Lock2();
可以看到线程运行正常,不再造成死锁。在test1加锁后调用test2方法时,由于是同一个线程,所以test2种也会顺利拿到锁,并继续执行。
可重入锁就是要保证:线程可以进入任何一个它已经拥有锁所同步着的代码块。

三. 共享锁和独享锁

共享锁也叫S锁,读锁,该锁可以被多个线程持有;
独享锁也叫X锁,写锁,排他锁,该锁只能被一个线程持有。
共享锁【S锁】 若事务T对数据对象A加上S锁,则事务T可以读A但不能修改A,其他事务只能再对A加S锁,而不能加X锁,直到T释放A上的S锁。这保证了其他事务可以读A,但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改。
排他锁【X锁】 又称写锁。若事务T对数据对象A加上X锁,事务T可以读A也可以修改A,其他事务不能再对A加任何锁,直到T释放A上的锁。这保证了其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A。
对于ReentrantLock和Synchronized而言,是独享锁,读读、读写、写写的过程都是互斥的。对于ReadWriteLock而言,读锁是共享锁,写锁是独享锁,读锁的共享锁可以保证并发读是非常高效的,在读写锁中,读读不互斥、读写、写写的过程是互斥的。独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。
读写锁ReentrantReadWriteLock的应用场景:
读写锁:分为读锁和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由jvm自己控制的,我们只要上好相应的锁即可。如果你的代码只读数据,可以很多人同时读,但不能同时写,那就上读锁;如果你的代码修改数据,只能有一个人在写,且不能同时读取,那就上写锁。总之,读的时候上读锁,写的时候上写锁!
ReentrantReadWriteLock会使用两把锁来解决问题,一个读锁,一个写锁。
线程进入读锁的前提条件:
  1. 1.
    没有其他线程的写锁
进入写锁的前提条件:
1. 没有其他线程的读锁 2. 没有其他线程的写锁
ReentrantReadWriteLock的javaodoc文档中提供给我们的一个很好的Cache实例代码案例:
class CachedData {
Object data; //缓存的数据
volatile boolean cacheValid; //缓存是否有效
final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
public void processCachedData() {
rwl.readLock().lock();
if (!cacheValid) {
// 再加写锁之前必须先释放读锁,因为进入写锁的条件是没有其他线程的读锁和写锁
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try {
// 类似单例模式的DCL双重检查,防止其他线程先拿到写锁对数据进行了缓存,因此要再判断一次
if (!cacheValid) {
data = ...
cacheValid = true;
}
// 在释放写锁之前通过获取读锁降级写锁,防止释放写锁后立即被其他线程加上写锁,导致读取脏数据
rwl.readLock().lock();
} finally {
rwl.writeLock().unlock(); // 释放写锁而此时已经持有读锁
}
}
try {
use(data);
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}

四. 乐观锁和悲观锁

悲观锁:

总是假设最坏的情况,每次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,这样别人想要拿到它的数据就会被一直阻塞直到它拿到锁,传统的关系型数据库里面就用到了很多这种锁机制,比如行锁、表锁、读锁、写锁等,都是在操作之前先上锁。再比如java里面的synchronized关键字的实现也是悲观锁。

乐观锁:

顾名思义,很乐观,每次拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会去判断一下别人有没有修改这个数据,可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用场景,这样可以提高吞吐量,像数据库提供的类似于write_condition机制就是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

4.1 悲观锁的缺点

悲观锁通过加锁的方式限制其他人对数据的操作,而乐观锁不会加锁,也就放宽了别人对数据的访问。使用悲观锁会引发一些问题:
  • 在多线程竞争下,加锁、释放锁会造成比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题;
  • 一个线程持有锁,会导致其他所有需要此锁的线程挂起;
  • 如果一个优先级高的线程等待一个优先级底的线程的锁,会导致优先级倒置,引起性能风险。
对比于悲观锁的这些问题,一个有效的方式就是乐观锁。其实乐观锁就是:每次不加锁而是假设没有并发冲突而去完成某项操作,如果因为并发冲突失败就重试,直到成功为止。

4.2 乐观锁的一种实现方式:CAS

CAS的全称是Compare And Swap,比较和替换。CAS操作包括三个操作数内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值B。否则处理器不做任何操作。一般配合死循环来不断尝试更新值,直到成功。
相对于synchronized这种阻塞算法,CAS是一种非阻塞算法的常用实现。
CAS实现的过程是:调用java的JNI接口--> 调用c接口 --> 汇编语言调用CPU指令(关键指令:cmpxchg)
CAS的缺点
  1. 1.
    ABA问题:意思是说当一个线程获取当前的值是A,此时另一个线程先将A变成B,再变成A,之前的线程继续执行,发现值没变还是A,就继续执行更新操作。这样可能会引发一些潜在问题,问题实例可以参考引用。通常各种乐观锁的实现用版本戳来对记录或者对象进行标记,来避免ABA问题,比如可以使用时间戳。JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
  2. 2.
    循环时间开销大:不成功就会一直循环直到成功,如果长时间不成功会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM支持pause指令那么可以一定程度上减少开销。
  3. 3.
    只能保证一个共享变量的原子操作:当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
CAS和synchronized的使用场景:
  • 对于资源竞争较少(线程冲突较轻)的情况,使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源;而CAS基于硬件实现,不需要进入内核,不需要切换线程,操作自旋几率较少,因此可以获得更高的性能。
  • 对于资源竞争严重(线程冲突严重)的情况,CAS自旋的概率会比较大,从而浪费更多的CPU资源,效率低于synchronized。
补充: synchronized在jdk1.6之后,已经改进优化。synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列,基本思路是自旋后阻塞,竞争切换后继续竞争锁,稍微牺牲了公平性,但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下,可以获得和CAS类似的性能;而线程冲突严重的情况下,性能远高于CAS。
总结一下就是:线程冲突小的情况下使用CAS,线程冲突多的情况下使用synchronized。
参考:

五. 分段锁

分段锁是对锁的一种优化,就是将锁细分的粒度更多,比如将一个数组的每个位置当做单独的锁。JDK8以前ConcurrentHashMap就使用了锁分段技术,它将散列数组分成多个Segment,每个Segment存储了实际的数据,访问数据的时候只需要对数据所在的Segment加锁就行。

六. 偏向锁/轻量级锁/重量级锁 /自旋锁

重量级锁是悲观锁的一种,自旋锁,轻量级锁和偏向锁属于乐观锁。

6.1 自旋锁

在Java中,自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU。
自旋锁的目的是为了占着CPU的资源不释放,等到获得锁立即处理,但是如何选择自选的执行时间呢?如果自选执行的时间太长,会有大量的线程处于自旋状态占用CPU资源,进而会影响整体系统的性能,因此自旋的周期选择额外重要。
JVM对于自旋周期的选择,JDK1.5这个限度是写死的,1.6引入了适应性自旋锁,适应性自旋锁意味着自旋的时间不再固定,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态决定,基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时JVM还针对当前CPU的负载情况做了较多的优化:
  • 如果平均负载小于CPUs则一直自旋
  • 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋,则后来线程直接阻塞
  • 如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞
  • 如果CPU处于节电模式则停止自旋
  • 自旋时间的最坏情况的CPU的存储延迟(CPU a存储了一个数据,到CPU b得知这个数据直接的时间差)
  • 自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异
自旋锁的开启
JDK1.6中-XX:+UseSpinning开启; -XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数; JDK1.7后,去掉此参数,由jvm控制;

6.2 重量级锁

重量级锁的代表就是Synchronized。但是不能单纯的说Synchronized就是重量级锁,JDK1.6对Synchronized做了优化,Synchronized锁有一个升级的过程,升级到最后才会变成重量级锁。

6.3 偏向锁

Java偏向锁是java6引入的一项多线程优化。偏向锁,顾名思义,它会偏向第一个访问锁的线程,如果在运行过程中,同步锁只有一个线程访问,不存在多线程争用的情况,则线程是不需要触发同步的,这种情况下,就会给线程加一个偏向锁,它通过消除资源无竞争情况下的同步原语,进一步提高了程序的运行性能。如果在运行过程中,遇到了其他线程抢占锁,则持有偏向锁的线程会被挂起,JVM就会消除它身上的偏向锁,将锁恢复到标准的轻量级锁。
偏向锁的实现
偏向锁的获取:
  1. 1.
    访问Mark Word中偏向锁的标志是否设置为1,锁标志位是否是01,确认为可偏向状态。
  2. 2.
    如果为可偏向状态,则测试线程id是否指向当前线程,如果是,进入步骤5,否则进入步骤3。
  3. 3.
    线程id并为指向当前线程,则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功,则将Mark Word中线程id设置为当前线程id,然后执行5,如果执行失败,执行4;
  4. 4.
    如果CAS获取偏向锁失败,则表示有竞争。当到达全局安全点时获得偏向锁的线程被挂起,偏向锁升级为轻量级锁,然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码;(撤销偏向锁的时候会导致stop the world)
  5. 5.
    执行同步代码。
偏向锁的释放:
偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁,线程不会主动释放偏向锁,偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态,撤销偏向锁后恢复到未锁定(标志位为01)或轻量级锁(标志位为00)的状态。
偏向锁的适用场景
始终只有一个线程在执行同步块,在它没有执行完释放锁之前,没有其它线程去执行同步块,在锁无竞争的情况下使用,一旦有了竞争就升级为轻量级锁,升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁,撤销偏向锁的时候会导致stop the word操作; 在有锁的竞争时,偏向锁会多做很多额外操作,尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点,安全点会导致stw,导致性能下降,这种情况下应当禁用。
为什么要引入偏向锁
因为经过HotSpot的作者大量的研究发现,大多数时候是不存在锁竞争的,常常是一个线程多次获得同一个锁,因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价,为了降低获取锁的代价,才引入的偏向锁。
jvm开启/关闭偏向锁
开启偏向锁:-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 表示程序启动0毫秒后激活,一般jVM默认会在程序启动后4秒钟之后才激活偏向锁

6.4 轻量级锁

为什么需要轻量级锁
轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多,而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态,代价较大,如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了,那这个代价就有点得不偿失了,因此这个时候就干脆不阻塞这个线程,让它自旋这等待锁释放。
轻量级锁什么时候升级为重量级锁
线程1获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头MarkWord复制一份到线程1的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间(称为DisplacedMarkWord),然后使用CAS把对象头中的内容替换为线程1存储的锁记录(DisplacedMarkWord)的地址;
如果在线程1复制对象头的同时(在线程1CAS之前),线程2也准备获取锁,复制了对象头到线程2的锁记录空间中,但是在线程2CAS的时候,发现线程1已经把对象头换了,线程2的CAS失败,那么线程2就尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。
但是如果自旋的时间太长也不行,因为自旋是要消耗CPU的,因此自旋的次数是有限制的,比如10次或者100次,如果自旋次数到了线程1还没有释放锁,或者线程1还在执行,线程2还在自旋等待,这时又有一个线程3过来竞争这个锁对象,那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞,防止CPU空转。
加锁过程
  1. 1.
    在代码进入同步块的时候,如果同步对象锁状态为无锁状态(锁标志位为01,是否为偏向锁为0),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝,官方称之为Displaced Mark Word;
  2. 2.
    拷贝对象头的Mark Word到锁记录中;
  3. 3.
    拷贝成功后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,并将Lock Record里的owner指针指向Mark Word。如果更新成功,执行4,否则执行5;
  4. 4.
    更新成功后,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象Mark Word的标志位设置为00,即表示此对象处于轻量级锁定状态;
  5. 5.
    如果更新失败,虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就直接进入同步代码块继续执行,否则说明多个线程竞争锁,轻量级锁就要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为10,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。而当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

6.5 总结

优缺点对比
优点
缺点
适用场景
偏向锁
加锁和解锁不需要额外的消耗,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
竞争的线程的不会阻塞,提高了程序的响应速度
如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋会消耗CPU
追求响应时间,同步块执行速度非常快
重量级锁
线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU
线程阻塞,响应时间慢
追求吞吐量,同步块执行速度较长

七. 锁粗化和锁消除

锁粗化 按理来说,同步块的作用范围应该尽可能小,仅在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小,缩短阻塞时间,如果存在锁竞争,那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。 但是加锁解锁也需要消耗资源,如果存在一系列的连续加锁解锁操作,可能会导致不必要的性能损耗。 锁粗化就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起,扩展成一个范围更大的锁,避免频繁的加锁解锁操作。
锁消除 Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,经过逃逸分析,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间。
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ReentrantLock类
锁的类型
一. 公平锁和非公平锁
二. 可重入锁和不可重入锁
三. 共享锁和独享锁
四. 乐观锁和悲观锁
悲观锁:
乐观锁:
4.1 悲观锁的缺点
4.2 乐观锁的一种实现方式:CAS
五. 分段锁
六. 偏向锁/轻量级锁/重量级锁 /自旋锁
6.1 自旋锁
6.2 重量级锁
6.3 偏向锁
6.4 轻量级锁
6.5 总结
七. 锁粗化和锁消除