Java多线程中的各种锁

ゞ浴缸里的玫瑰 2021-09-29 15:00 358阅读 0赞

> 学习 java 多线程时，最头疼的知识点之一就是 java 中的锁了，什么互斥锁、排它锁、自旋锁、死锁、活锁等等，细分的话可以罗列出 20 种左右的锁，光是看着这些名字就足以让人望而却步了，更别说一个个去理解它们的含义了。其实我要在这里告诉大家，我们看到的其实只是假象，其实根本没有这么多锁，或者这样说，这里边有很多锁其实就是一个东西，当我们从不同的侧重点去看的时候，它们就会衍生出不同的名字。

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### 一、由 ReentrantLock 和 synchronized 实现的一系列锁 ###

jdk1.5 的 java.util.concurrent 并发包中的 Lock 接口和 1.5 之前的 synchronized 或许是我们最常用的同步方式，这两种同步方式特别是 Lock 的 ReentrantLock 实现，经常拿来进行比较，其实他们有很多相似之处，其实它们在实现同步的思想上大致相同，只不过在一些细节的策略上（诸如抛出异常是否自动释放锁）有所不同。前边说过了，本文着重讲锁的实现思想和不同锁的概念与分类，不对实现原理的细节深究，因此我在下面介绍第一类锁的时候经常讲他们放在一起来说。我们先来说一下 Lock 接口的实现之一 ReentrantLock。当我们想要创建 ReentrantLock 实例的时候，jdk 为我们提供两种重载的构造函数，如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzOTQ1MjQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
fair 是什么意思？公平的意思，没错，这就是我们要说的第一种锁。

#### 1. 从其它等待中的线程是否按顺序获取锁的角度划分 – 公平锁与非公平锁 ####

我先做个形象比喻，比如现在有一个餐厅，一次最多只允许一个持有钥匙的人进入用餐，那么其他没拿到钥匙的人就要在门口等着，等里面那个人吃完了，他出来他把钥匙扔地上，后边拿到钥匙的人才能进入餐厅用餐。

*  公平锁：是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。所用公平锁就好像在餐厅的门口安装了一个排队的护栏，谁先来的谁就站的靠前，无法进行插队，当餐厅中的人用餐结束后会把钥匙交给排在最前边的那个人，以此类推。公平锁的好处是，可以保证每个排队的人都有饭吃，先到先吃后到后吃。但是弊端是，要额外安装排队装置。
 *  非公平锁：理解了公平锁，非公平锁就很好理解了，它无非就是不用排队，当餐厅里的人出来后将钥匙往地上一扔，谁抢到算谁的。但是这样就造成了一个问题，那些身强体壮的人可能总是会先抢到钥匙，而那些身体瘦小的人可能一直抢不到，这就有可能将一直抢不到钥匙，最后导致需要很长时间才能拿到钥匙甚至一直拿不到直至饿死。

**公平锁与非公平所的总结：**

（1） 公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率相对低一些；非公平锁的好处是整体效率相对高一些，但是有些线程可能会饿死或者说很早就在等待锁，但要等很久才会获得锁。其中的原因是公平锁是严格按照请求所的顺序来排队获得锁的，而非公平锁时可以抢占的，即如果在某个时刻有线程需要获取锁，而这个时候刚好锁可用，那么这个线程会直接抢占，而这时阻塞在等待队列的线程则不会被唤醒。

（2） 在 java 中，公平锁可以通过 new ReentrantLock (true) 来实现；非公平锁可以通过 new ReentrantLock (false) 或者默认构造函数 new ReentrantLock () 实现。

（3）synchronized 是**非公平锁**，并且它无法实现公平锁。

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#### 2. 从能否有多个线程持有同一把锁的角度划分 – 互斥锁 ####

互斥锁的概念非常简单，也就是我们常说的同步，即一次最多只能有一个线程持有的锁，当一个线程持有该锁的时候其它线程无法进入上锁的区域。在 Java 中 synchronized 就是互斥锁，从宏观概念来讲，**互斥锁就是通过悲观锁的理念引出来的，而非互斥锁则是通过乐观锁的概念引申的。**

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#### 3. 从一个线程能否递归获取自己的锁的角度划分 – 重入锁（递归锁） ####

我们知道，一条线程若想进入一个被上锁的区域，首先要判断这个区域的锁是否已经被某条线程所持有。如果锁正在被持有那么线程将等待锁的释放，但是这就引发了一个问题，我们来看这样一段简单的代码：

public class ReentrantDemo { 
    	private Lock mLock;
     
    	public ReentrantDemo(Lock mLock) { 
    		this.mLock = mLock;
    	}
     
    	public void outer() { 
    		mLock.lock();
    		inner();
    		mLock.unlock();
    	}
     
    	public void inner() { 
    		mLock.lock();
    		// do something
    		mLock.unlock();
    	}
    }

当线程 A 调用 outer () 方法的时候，会进入使用传进来 mlock 实例来进行 mlock.lock () 加锁，此时 outer () 方法中的这片区域的锁 mlock 就被线程 A 持有了，当线程 B 想要调用 outer () 方法时会先判断，发现这个 mlock 这把锁被其它线程持有了，因此进入等待状态。我们现在不考虑线程 B，单说线程 A，线程 A 进入 outer () 方法后，它还要调用 inner () 方法，并且 inner () 方法中使用的也是 mlock () 这把锁，于是接下来有趣的事情就来了。按正常步骤来说，线程 A 先判断 mlock 这把锁是否已经被持有了，判断后发现这把锁确实被持有了，但是可笑的是，是 A 自己持有的。那你说 A 能否在加了 mlock 锁的 outer () 方法中调用加了 mlock 锁的 inner 方法呢？答案是如果我们使用的是可重入锁，那么递归调用自己持有的那把锁的时候，是允许进入的。

*  **可重入锁**：可以再次进入方法 A，就是说在释放锁前此线程可以再次进入方法 A（方法 A 递归）。
 *  **不可重入锁（自旋锁）**：不可以再次进入方法 A，也就是说获得锁进入方法 A 是此线程在释放锁前唯一的一次进入方法 A。

下面这段代码演示了**不可重入锁**：

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();  
        }  
    }

可以看到，当 isLocked 被设置为 true 后，在线程调用 unlock () 解锁之前不管线程是否已经获得锁，都只能 wait ()。

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#### 4. 从编译器优化的角度划分 – 锁消除和锁粗化 ####

锁消除和锁粗化，是编译器在编译代码阶段，对一些没有必要的、不会引起安全问题的同步代码取消同步（锁消除）或者对那些多次执行同步的代码且它们可以合并到一次同步的代码（锁粗化）进行的优化手段，从而提高程序的执行效率。

**锁消除**  
对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据是来源于**逃逸分析的数据支持**，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而能被其他线程访问到，那就可以把他们当做栈上数据对待，认为他们是线程私有的，同步加锁自然就无需进行。

来看这样一个方法：

public String concatString(String s1, String s2, String s3)
        { 
            StringBuffer sb = new StringBuffer();
            sb.append(s1);
            sb.append(s2);
            sb.append(s3);
            return sb.toString();
        }

源码中 StringBuffer 的 append 方法定义如下：

public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) { 
            super.append(sb);
            return this;
        }

可见 append 的方法使用 synchronized 进行同步，我们知道对象的实例总是存在于堆中被多线程共享，即使在**局部方法**中创建的实例依然存在于堆中，但是对该实例的引用是**线程私有**的，对其他线程不可见。即上边代码中虽然 StringBuffer 的实例是共享数据，但是对该实例的引用确是每条线程内部私有的。不同的线程引用的是堆中存在的不同的 StringBuffer 实例，它们互不影响互不可见。也就是说在 concatString () 方法中涉及了同步操作。但是可以观察到 sb 对象它的作用域被限制在方法的内部，也就是 sb 对象不会 “逃逸” 出去，其他线程无法访问。因此，虽然这里有锁，但是可以被安全的消除，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。

**锁粗化**  
原则上，我们在编写代码的时候，总是要将同步块的作用范围限制的尽量小 —— 只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁禁止，那等待的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下，这些都是正确的。但是，如果一系列的联系操作都是同一个对象反复加上和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那么即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也导致不必要的性能损耗。

举个案例，类似上面锁消除的 concatString () 方法。如果 StringBuffer sb = new StringBuffer (); **定义在方法体之外**，那么就会有线程竞争，但是每个 append () 操作都对同一个对象反复加锁解锁，那么虚拟机探测到有这样的情况的话，会把加锁同步的范围**扩展到整个操作序列的外部**，即扩展到第一个 append () 操作之前和最后一个 append () 操作之后，这样的一个锁范围扩展的操作就称之为锁粗化。

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#### 5. 在不同的位置使用 synchronized-- 类锁和对象锁 ####

这是最常见的锁了，synchronized 作为锁来使用的时候，无非就只能出现在两个地方（其实还能修饰变量，但作用是保证可见性，这里讨论锁，故不阐述）：代码块、方法（一般方法、静态方法）。由于可以使用不同的类型来作为锁，因此分成了类锁和对象锁。

*  类锁：使用字节码文件（即.class）作为锁。如静态同步函数（使用本类的.class），同步代码块中使用.class。
 *  对象锁：使用对象作为锁。如同步函数（使用本类实例，即 this），同步代码块中是用引用的对象。

下面代码涵盖了所有 synchronized 的使用方式：

public class Demo { 
    	public Object obj = new Object();
     	 // 静态同步函数,使用本类字节码做类锁（即Demo.class）
    	public static synchronized void method1() { 
    	}
     
    	public void method2() { 
    		// 同步代码块，使用字节码做类锁
    		synchronized (Demo.class) {  
    		}
    	}
     
     	// 同步函数，使用本类对象实例即this做对象锁
    	public synchronized void method3() {  
    	}
     
    	// 同步代码块，使用本类对象实例即this做对象锁
    	public void method4() { 
    		synchronized (this) {  
    		}
    	}
     
    	public void method5() { 
    		//同步代码块，使用共享数据obj实例做对象锁。
    		synchronized (obj) {  
    		}
    	}
    }

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### 二、从锁的设计理念来分类 – 悲观锁、乐观锁 ###

*如果将锁在宏观上进行大的分类，那么所只有两类，即悲观锁和乐观锁。*

*  悲观锁  
    悲观锁是就是悲观思想，即认为**读少写多**，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。java 中的悲观锁就是 **Synchronized**,AQS 框架下的锁则是先尝试 cas 乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如 RetreenLock。
 *  乐观锁  
    乐观锁是一种乐观思想，即认为**读多写少**，遇到并发写的可能性低，每次去**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判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读 - 比较 - 写的操作。

**乐观锁的实现思想 --CAS（Compare and Swap）无锁**

CAS 并不是一种实际的锁，它仅仅是实现乐观锁的一种思想，java 中的乐观锁（如自旋锁）基本都是通过 CAS 操作实现的，CAS 是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

**乐观锁常见的两种实现方式**

乐观锁一般会使用**版本号机制**或 **CAS 算法**实现

1.  版本号机制  
    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。
2.  CAS 算法  
    即 compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。 CAS 算法涉及到三个操作数
    
     *  需要读写的内存值 V
     *  进行比较的值 A
     *  拟写入的新值 B  
        当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

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### 三、数据库中常用到的锁 – 共享锁、排它锁 ###

共享锁和排它锁多用于数据库中的事物操作，主要针对读和写的操作。而在 Java 中，对这组概念通过 ReentrantReadWriteLock 进行了实现，它的理念和数据库中共享锁与排它锁的理念几乎一致，\*\*即一条线程进行读的时候，允许其他线程进入上锁的区域中进行读操作；当一条线程进行写操作的时候，不允许其他线程进入进行任何操作。\*\*即读 + 读可以存在，读 + 写、写 + 写均不允许存在

*  共享锁：也称读锁或 S 锁。如果事务 T 对数据 A 加上共享锁后，则其他事务只能对 A 再加共享锁，不能加排它锁。获准共享锁的事务只能读数据，不能修改数据。
 *  排它锁：也称独占锁、写锁或 X 锁。如果事务 T 对数据 A 加上排它锁后，则其他事务不能再对 A 加任何类型的锁。获得排它锁的事务即能读数据又能修改数据。

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### 四、由于并发问题产生的锁 – 死锁、活锁 ###

#### 死锁 ####

**1.什么是死锁**

所谓死锁是指多个线程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。下面我通过一些实例来说明死锁现象。

先看生活中的一个实例，2 个人一起吃饭但是只有一双筷子，2 人轮流吃（同时拥有 2 只筷子才能吃）。某一个时候，一个拿了左筷子，一人拿了右筷子，2 个人都同时占用一个资源，等待另一个资源，这个时候甲在等待乙吃完并释放它占有的筷子，同理，乙也在等待甲吃完并释放它占有的筷子，这样就陷入了一个死循环，谁也无法继续吃饭。

在计算机系统中也存在类似的情况。例如，某计算机系统中只有一台打印机和一台输入 设备，进程 P1 正占用输入设备，同时又提出使用打印机的请求，但此时打印机正被进程 P2 所占用，而 P2 在未释放打印机之前，又提出请求使用正被 P1 占用着的输入设备。这样两个进程相互无休止地等待下去，均无法继续执行，此时两个进程陷入死锁状态。

**2.死锁形成的必要条件**

产生死锁必须同时满足以下四个条件，**只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生**：

*  互斥条件：进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间内某 资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。
 *  不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能 由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
 *  请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源 已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
 *  循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合 \{Pl, P2, …, pn\}，其中 Pi 等 待的资源被 P (i+1) 占有（i=0, 1, …, n-1)，Pn 等待的资源被 P0 占有

#### 活锁 ####

活锁和死锁在表现上是一样的两个线程都没有任何进展，但是区别在于：**死锁，两个线程都处于阻塞状态**，说白了就是它不会再做任何动作，我们通过查看线程状态是可以分辨出来的。**而活锁呢，并不会阻塞，而是一直尝试去获取需要的锁，不断的 try**，这种情况下线程并没有阻塞所以是活的状态，我们查看线程的状态也会发现线程是正常的，但重要的是整个程序却不能继续执行了，一直在做无用功。举个生动的例子的话，两个人都没有停下来等对方让路，而是都有很有礼貌的给对方让路，但是两个人都在不断朝路的同一个方向移动，这样只是在做无用功，还是不能让对方通过。

原文：https://blog.csdn.net/renwei289443/article/details/79540809

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