JAVA锁机制

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-04-14 03:51 233阅读 0赞

# 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，如果提交的数据版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

核心SQL语句

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

> 对于上面修改用户帐户信息的例子而言，假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。
> 
> 1 操作员 A 此时将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。
> 
> 2 在操作员 A 操作的过程中，操作员B 也读入此用户信息（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。
> 
> 3 操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号加一（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本大于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
> 
> 4 操作员 B 完成了操作，也将版本号加一（ version=2 ）试图向数据库提交数据（ balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。
> 
> 这样，就避免了操作员 B 用基于 version=1 的旧[数据修改][Link 1]的结果覆盖操作员A 的操作结果的可能。

**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。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4MjcwMTA2_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**优点**

从上面的例子可以看出，乐观锁机制避免了长[事务][Link 2]中的数据库加锁开销（操作员 A和操作员 B 操作过程中，都没有对数据库数据加锁），大大提升了大并发量下的系统整体性能表现。

**缺点**

需要注意的是，乐观锁机制往往基于系统中的[数据存储][Link 3]逻辑，因此也具备一定的局限性，如在上例中，由于乐观锁机制是在我们的系统中实现，来自外部系统的用户余额更新操作不受我们系统的控制，因此可能会造成[脏数据][Link 4]被更新到数据库中。在系统设计阶段，我们应该充分考虑到这些情况出现的可能性，并进行相应调整（如将乐观锁策略在数据库存储过程中实现，对外只开放基于此存储过程的[数据更新][Link 5]途径，而不是将数据库表直接对外公开）。

# 悲观锁 #

顾名思义就是采用一种悲观的态度来对待事务并发问题，我们认为系统中的并发更新会非常频繁，并且事务失败了以后重来的开销很大，这样以来，我们就需要采用真正意义上的锁来进行实现。悲观锁的基本思想就是每次一个事务读取某一条记录后，就会把这条记录锁住，这样  
其它的事务要想更新，必须等以前的事务提交或者回滚解除锁。

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。

# 重入锁 #

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 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

## **读写锁** ##

相比[Java中的锁(Locks in Java)][Java_Locks in Java]里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的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**（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

# 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，表节点Node的值就是每一个节点请求当前锁的线程。公平锁则在于每次都是依次从队首取值。

锁的方式是基于以下几点：

表节点Node和状态state的 volatile关键字。

# 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。

> 公平锁先到先得，按序进行，非公平锁就是不排队直接拿，失败再说。

# 自旋锁 #

自旋锁原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就**避免用户线程和内核的切换的消耗**。

但是线程自旋是需要消耗cup的，说白了就是让cup在做无用功，线程不能一直占用cup自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。

如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

自旋锁的优缺点

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗！

但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，占着XX不XX，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要cup的线程又不能获取到cpu，造成cpu的浪费。

自旋锁时间阈值

自旋锁的目的是为了占着CPU的资源不释放，等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢？如果自旋执行时间太长，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。因此自旋的周期选的额外重要！

JVM对于自旋周期的选择，jdk1.5这个限度是一定的写死的，在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在是固定的了，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来决定，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的负荷情况做了较多的优化

1.  如果平均负载小于CPUs则一直自旋
2.  如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
3.  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
4.  如果CPU处于节电模式则停止自旋
5.  自旋时间的最坏情况是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）
6.  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；   
JDK1.7后，去掉此参数，由jvm控制；

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%BF%AE%E6%94%B9
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[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8B%E5%8A%A1
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%AD%98%E5%82%A8
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E8%84%8F%E6%95%B0%E6%8D%AE
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E6%9B%B4%E6%96%B0
[Java_Locks in Java]: http://ifeve.com/locks/