Java 锁的使用与锁的类型

野性酷女 2022-02-28 05:58 226阅读 0赞

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### 文章目录 ###

*  1 概念
 *   *  1.1 线程安全
     *  1.2 同步
     *  1.3 锁对象
 *  2 - Java加锁方式
 *   *  2.1 synchronized 修饰的同步方法
     *  2.2 同步代码块
     *  2.3 Lock对象同步锁
 *  3 - 实例
 *   *  3.1 三个改变线程状态的系统方法
     *  3.2 线程的各种状态
     *  3.3 模拟存钱取钱
     *  3.4 知识点
 *  4 - 锁的类型
 *  参考

# 1 概念 #

## 1.1 线程安全 ##

指在并发的情况之下，该代码经过多线程使用，线程的调度顺序不影响任何结果。这个时候使用多线程，我们只需要关注系统的内存、cpu是不是够用即可。反过来，线程不安全就意味着线程的调度顺序会影响最终结果，如不加事务的转账代码：

void transferMoney(User from, User to, float amount){ 
    	to.setMoney(to.getBalance() + amount);
        from.setMoney(from.getBalance() - amount);
    }

假如执行完第一行代码时，线程的时间片刚好用完，切换到另一个线程，而另一个线程就会看到to对象的Balance增加，但是from对象的Balance并没有减少。

## 1.2 同步 ##

Java中的同步指的是通过人为的控制和调度，保证共享资源的多线程访问成为线程安全，来保证结果的准确。如上面的代码简单加入@synchronized关键字。在保证结果准确的同时，提高性能，才是优秀的程序。线程安全的优先级高于性能。

同步还可以使用信号量的方式，详见《现代操作系统》。

## 1.3 锁对象 ##

在Java中，每一个对象都拥有一个锁标记（monitor），也称为监视器，多个线程同时访问某个对象时，线程只有获取了该对象的锁才能访问。

“锁对象”一般指需要加锁的共享资源（对象实例）。在确定锁对象的时候，可以先明确哪些是共享资源，不同的线程只有在访问共享资源的时候才会发生资源读写冲突问题。

假如当前类A存在两个实例，一个A1，一个A2，如果线程1访问的是A1对象的同步方法，而线程2访问的是A2对象的同步方法，那么实际上这两个线程并没有发生资源读写冲突，因为两个A实例并不属于共享资源，所以即使 A 的方法上锁也没什么意义。

所以使用锁前，一定要明确是否存在对同一资源的读写冲突。

# 2 - Java加锁方式 #

基本上所有的并发模式在解决线程安全问题时，都采用“序列化访问临界资源”的方案，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。

通常来说，是在访问临界资源的代码前面加上一个锁，当访问完临界资源后释放锁，让其他线程继续访问。

下面介绍三种常见的加锁方式。

## 2.1 synchronized 修饰的同步方法 ##

对共享资源进行访问的方法定义中加上synchronized关键字修饰，使得此方法称为**同步方法**。

class A{ 
    	...
    	public synchronized void func(){ 
    		// 执行体
    	}
    	...
    }

可以简单理解成对此方法进行了加锁，其锁对象为当前方法所在的对象自身。多线程环境下，当执行此方法时，首先都要获得此**同步锁**，只有当线程执行完此同步方法后，才会释放锁对象，其他的线程才有可能获取这个锁。

## 2.2 同步代码块 ##

使用同步方法时，使得整个方法体都成为了同步执行状态，会使得可能出现同步范围过大的情况，于是，针对需要同步的代码可以使用**同步代码块**来解决。

格式如下，其中 obj 就是要上锁的对象，一般是多线程会共享的资源。如果同步代码在资源对象的内部，可以将 obj 写作 this。

/* 1. 资源是内部成员变量 */
    public class B{ 
    	private A obj1;
    	private A obj2;
    	...
    	public void func1(){ 
    		synchronized (obj1){ 
    	   		// 执行体
    		}
    	}
    
    	public void func2(){ 
    		synchronized (obj3){ 
    			// 执行体
    		}
    	}	
    	...
    }
    
    /* 2. 资源是类对象 */
    public class A{ 
    	...
    	public void func(){ 
    		synchronized (this){ 
    	   		// 执行体
    	   	}
    	}
    	...
    }

上面同步代码块的两种情况有什么区别呢？  
很明显，第一种情况下，两个不同的线程可以同时调用类 B 的 `func1()` 和 `func 2()` ，因为锁对象是括号内的 `obj1` 和 `obj2`，这两个锁可以被不同线程获得。而第二种写法和同步方法的区别不大，因为共享资源或者锁对象都是类 A 本身，同一时刻只有一个线程可以获得 A 的锁并调用 A 的方法。

## 2.3 Lock对象同步锁 ##

class X { 
        // Lock同步锁对象，此对象与共享资源具有一对一关系，此时共享资源将是X的一个实例对象
        private final Lock lock = new ReentrantLock();
        
        public void m(){ 
        	lock.lock(); 
        	try{   
        		...        
            	// 需要进行线程安全同步的代码
            	...
            }catch(Execption e){ 
            	...
            }finally{ 
            	lock.unlock();
            }
        }
    }

Lock 和 synchronized 的区别？

1.  synchronized 是 JVM 层面的技术，是 Java 内置的关键字，所以 获取锁/释放锁 都是由虚拟机管理的；而 Lock 是一个 Java 类，我们需要手动管理锁。
2.  出现异常时，JVM 会自动释放 synchronized 同步锁，但是 Lock 不会，所以使用 Lock 的时候我们需要搭配 try…catch…finally 代码块使用，并且将锁的释放放到 finally ，确保出现异常的时候可以释放锁。
3.  Lock 可以让等待锁的线程响应中断，而 synchronized 却不行，使用 synchronized 时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
4.  通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而 synchronized 却无法办到。
5.  Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。

> 在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

更多详细内容参考： [Java并发编程：Lock][Java_Lock]

# 3 - 实例 #

## 3.1 三个改变线程状态的系统方法 ##

`wait`、`notify` 和 `notifyAll` 方法可以睡眠/唤醒线程，它们是 Object 类的 final native 方法，这些方法不能被子类重写，由于 Object 是所有 Java 类的超类，所以任何 Java 类都能直接调用这几个方法。

*  wait()  
    导致当前线程等待并使其进入到等待阻塞状态。直到其他线程调用该同步锁对象的`notify()`或 `notifyAll()` 方法来唤醒此线程。
 *  notify()  
    唤醒在**此同步锁对象上**等待的单个线程，如果有多个线程都在此同步锁对象上等待，则会任意选择其中某个线程进行唤醒操作。**（注意，虽然线程被唤醒，但只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，被唤醒的线程才可能执行被执行）**
 *  notifyAll()  
    唤醒在此同步锁对象上等待的所有线程。**同上，只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，才可能执行被唤醒的线程**。

## 3.2 线程的各种状态 ##

下图为线程状态的转换图，学习 Java 锁相关内容时主要注意 Running、等待Blocked、锁定Blocked。

锁定Blocked就是被唤醒或者没有得到锁，此时线程需要获得锁之后才能进入运行态。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1h1X0pMMTk5Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 3.3 模拟存钱取钱 ##

下面的代码创建了两个线程，一个是存钱线程，一个是取钱线程，前者run()不断存钱，后者run()不断取钱。整个程序只有两个线程运行，两个线程在Account对象实例上发生资源共享/竞争。

存钱线程/取钱线程：

class DrawMoneyThread extends Thread {  // 取钱线程
        private Account account;
        private double amount;  // 取款数额
    
        public DrawMoneyThread(String threadName, Account account, double amount) { 
            super(threadName);
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }
    
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 100; i++) 
                account.draw(amount, i);  // 取100次钱
        }
    }
    
    class DepositeMoneyThread extends Thread {   // 存钱线程
        private Account account;
        private double amount; // 存款数额
        
        public DepositeMoneyThread(String threadName, Account account, double amount) { 
            super(threadName);
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }
    
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 100; i++)
                account.deposite(amount, i);  // 存100次钱
        }
    }

资源对象：

public class Account { 
        private String accountNo;
        private double balance;
    
        public Account() { }
        public Account(String accountNo, double balance) { 
            this.accountNo = accountNo;
            this.balance = balance;
        }
        ...  //省略getter和setter，自己补充
    
        // 存钱同步方法
        public synchronized void deposite(double depositeAmount, int i) { 
            setBalance(balance + depositeAmount);
            notifyAll();  // 唤醒取钱线程
            
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 存钱执行完毕，当前余额为：" + getBalance());
        }
    
        // 取钱同步方法
        public synchronized void draw(double drawAmount, int i) { 
            if (getBalance() - drawAmount < 0) {  // 账户中还没人存钱进去，此时当前线程需要等待阻塞
                try { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 余额不足，执行wait操作，当前余额为："+getBalance());
                    wait();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行了wait操作，线程被唤醒");
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            } else { 
                setBalance(getBalance() - drawAmount);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取钱执行完毕，当前余额为：" + getBalance());
            }
        }
    }

运行与结果：

public class ThreadTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            Account account = new Account("123456", 0);
            // 两个线程都是对同一个Account对象进行操作
            Thread drawMoneyThread = new DrawMoneyThread("取钱线程", account, 700);
            Thread depositeMoneyThread = new DepositeMoneyThread("存钱线程", account, 700);
            drawMoneyThread.start();
            depositeMoneyThread.start();
        }
    }

结果如下，若账号没钱就会阻塞取钱线程，并释放锁。存钱线程获得锁后就可以存钱，同时唤醒取钱线程，直到时间片消耗完。之后切换取钱线程就可以继续取钱了。

- 取钱线程 余额不足，执行wait操作，当前余额为：0.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：700.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：1400.0
    - 取钱线程 执行了wait操作，线程被唤醒
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：700.0
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：0.0
    - 取钱线程 余额不足，执行wait操作，当前余额为：0.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：700.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：1400.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：2100.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：2800.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：3500.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：4200.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：4900.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：5600.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：6300.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：7000.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：7700.0
    + 存钱线程 存钱执行完毕，当前余额为：8400.0
    - 取钱线程 执行了wait操作，线程被唤醒
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：7700.0
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：7000.0
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：6300.0
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：5600.0
    - 取钱线程 取钱执行完毕，当前余额为：4900.0
    ...

## 3.4 知识点 ##

1.  `wait()` 方法执行后，当前线程立即进入到等待阻塞状态，并释放自身的锁。等到其他线程唤醒时，继续从wait()后面的代码开始执行。
2.  `notify()` / `notifyAll()`方法执行后，将唤醒此同步锁对象(在本例中就是account)上的线程对象。但是，此时还并没有释放同步锁对象，需要当前线程执行完毕才会释放同步锁对象；
3.  持有锁的线程如果调用了 `sleep()` 方法，则会进入到阻塞状态，但是同步对象锁没有释放，其他线程还是没有机会运行；
4.  `wait()` / `notify()` / `nitifyAll()` 完成线程间的通信或协作都是基于相同的对象锁。因此，如果是不同的同步对象锁将失去意义。同步对象锁最好是与共享资源对象保持一一对应关系，也就是实例与锁一一对应。

# 4 - 锁的类型 #

1.  乐观锁/悲观锁：它们其实并不是一种具体的锁，而是一种对**如何看待并发的数据操作**的描述。乐观锁对于并发的数据操作持乐观的态度，认为并发操作不会修改数据，不需要上锁。而悲观锁刚好相反，认为并发操作一定会修改数据，必须上锁。
2.  可重入锁  
    假如当前线程已经获得某共享资源的锁，它在接下来的执行中调用该资源的任何方法都不需要重新申请锁。举例：
    
        class C{ 
        	public synchronized void func1(){ 
        		// 执行体
        	}
        	public synchronized void func2(){ 
        		// 执行体
        		this.func1(); // func1也是同步方法，由于调用func2的时候已经获得锁，不需要再一次申请
        	}
        }
    
    synchronized 和 ReentrantLock 都具有可重入性。显然，不具有可重入性可能会导致死锁，因为线程已经持有锁却还在等待锁的释放。
3.  自旋锁/自适应自旋锁  
    第2节介绍的几种上锁方式都会同步阻塞不能获得锁的线程，但由于对线程的阻塞/唤醒、线程切换都会消耗一定的资源。**自旋锁**让线程在申请不到锁的情况下不会立即阻塞，它会尝试继续申请锁，类似于轮询。显然，在单核的情况下这种锁是没有用的，但在多核机器上，持有锁的线程和申请锁的线程可以并行，申请锁的线程有可能在 CPU 轮转时间使用期内等到锁的释放。如果自旋较少的次数就获得了锁，那么这种开销是可接受的，但是长时间的自旋会导致 CPU 浪费，可以设置最大自旋次数来减少浪费。  
    **自适应自旋锁**是对自旋锁的一个优化，自旋的次数不再固定，而依据对自旋锁以往的获取历史。如果之前通过自旋获得过该锁，那么认为通过自旋的方式获得锁的几率较高，允许这一次自旋更多次。反之，如果通过自旋的方式很少成功获得锁，那么应该认为自旋是多余的，直接跳过自旋阶段，直接阻塞。
4.  互斥锁/读写锁：互斥锁就涉及到临界区的概念了，无论是读还是写操作同一时刻只有一个线程可以进入临界区，比如 synchronized。读写锁实现的是读写、写读、写写互斥，但是允许同一时刻多个线程同时对数据进行读操作，比如 ReentrantReadWriteLock。
5.  独占锁/共享锁：锁如果可以被多个线程持有，那就是共享锁，比如ReentrantReadWriteLock 的读锁。反之只能被一个线程持有的锁就是独占锁，synchronized、ReentrantReadWriteLock 的写锁等。
6.  公平锁/非公平锁：公平锁表示锁的获得是按照先后顺序，就像买票排队一样，但是非公平锁不能保证先申请锁的线程一定能先得到锁，有可能优先级更高的线程获得锁，就像买票有VIP通道。
7.  偏向锁/轻量级锁/重量级锁：这三种锁是指锁的状态，并且是针对 synchronized。在Java 5 通过引入**锁升级**的机制来实现高效 Synchronized。
    
    **偏向锁** 是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。  
    **轻量级锁** 是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，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。其他线程不会阻塞，提高性能。  
    **重量级锁** 是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。
8.  锁消除/锁粗化：锁粗化和消除其实设计原理都差不多，都是为了减少没必要的加锁。
    
    **锁消除**是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些不必要的同步进行消除。锁消除的主要判定依据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被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。  
    如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。

# 参考 #

1.  [Java并发编程系列博客. Matrix海子. 博客园][Java_. Matrix_.]
2.  [Java多线程 五 — JAVA锁有哪些种类][Java_ _ _ JAVA]

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[Java_Lock]: https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3923167.html
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[Java_. Matrix_.]: https://www.cnblogs.com/dolphin0520/category/1426288.html
[Java_ _ _ JAVA]: https://blog.csdn.net/nalanmingdian/article/details/77800355