并发系列之锁的知识梳理

谁践踏了优雅 2022-11-15 12:27 156阅读 0赞

### 并发系列之锁的知识梳理 ###

*   *  1、锁的分类
     *   *  1.1、乐观锁和悲观锁
         *   *  1.1.1、乐观锁
             *  1.1.2、悲观锁
         *  1.2、公平锁和非公平锁
         *   *  1.2.1、公平锁
             *  1.2.2、非公平锁
         *  1.3、可重入锁
         *  1.4、独享锁和共享锁
         *   *  1.4.1、独享锁
             *  1.4.2、共享锁
         *  1.5、偏向锁/轻量级锁/重量级锁
         *   *  1.5.1、偏向锁
             *  1.5.2、轻量级锁
             *  1.5.2、重量级锁
         *  1.6、分段锁
     *  2、往期佳文
     *   *  2.1、面试系列
         *  2.2、技术系列
         *  2.3、源码系列
         *  2.4、数据结构和算法系列
         *  2.5、并发系列

## 1、锁的分类 ##

### 1.1、乐观锁和悲观锁 ###

#### 1.1.1、乐观锁 ####

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，可以使用版本号等机制。  
       ABA问题(JDK1.5之后已有解决方案)：CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。  
       循环时间长开销大：CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。  
       只能保证一个共享变量的原子操作(JDK1.5之后已有解决方案)：对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。  
**适用场景:**  
       比较适合读取操作比较频繁的场景，如果出现大量的写入操作，数据发生冲突的可能性就会增大，为了保证数据的一致性，应用层需要不断的重新获取数据，这样会增加大量的查询操作，降低了系统的吞吐量。  
**实现方式:**  
       1、使用版本标识来确定读到的数据与提交时的数据是否一致。提交后修改版本标识，不一致时可以采取丢弃和再次尝试的策略。  
       2、Java 中的 Compare and Swap 即 CAS ，当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。  
       3、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。

#### 1.1.2、悲观锁 ####

悲观锁，总是假设最坏的情况，每次去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，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。  
       传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。  
       再比如 Java 里面的同步原语 synchronized 关键字的实现也是悲观锁。  
**适用场景:**  
       比较适合写入操作比较频繁的场景，如果出现大量的读取操作，每次读取的时候都会进行加锁，这样会增加大量的锁的开销，降低了系统的吞吐量。  
**实现方式:**  
       synchronized 和Lock

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### 1.2、公平锁和非公平锁 ###

#### 1.2.1、公平锁 ####

指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。

#### 1.2.2、非公平锁 ####

指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。  
**饥饿现象**：  
       一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源，导致一直无法执行的状态  
**导致无法获取的原因:**  
       线程优先级较低,没办法获取cpu时间  
       其他线程总是能在它之前持续地对该同步块进行访问。  
       线程在等待一个本身也处于永久等待完成的对象(比如调用这个对象的 wait 方法)，因为其他线程总是被持续地获得唤醒。  
**实现方式**: ReenTrantLock(公平/非公平)  
对于Java 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。  
对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

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### 1.3、可重入锁 ###

如果一个线程获得过该锁，可以再次获得，主要是用途就是在递归方面，还有就是防止死锁，比如在一个同步方法块中调用了另一个相同锁对象的同步方法块  
**实现方式**: synchronized、ReentrantLock

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### 1.4、独享锁和共享锁 ###

#### 1.4.1、独享锁 ####

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。  
**实现方式**: ReentrantLock 和 synchronized

#### 1.4.2、共享锁 ####

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。  
**实现方式**: ReadWriteLock  
       对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读 ，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。对于Synchronized而言，当然是独享锁。

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### 1.5、偏向锁/轻量级锁/重量级锁 ###

#### 1.5.1、偏向锁 ####

指的是当前只有这个线程获得，没有发生争抢，此时将方法头的markword设置成0，然后每次过来都cas一下就好，不用重复的获取锁.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  
**实现方式**: synchronized

#### 1.5.2、轻量级锁 ####

在偏向锁的基础上，有线程来争抢，此时膨胀为轻量级锁，多个线程获取锁时用cas自旋获取，而不是阻塞状态  
**实现方式**: synchronized

#### 1.5.2、重量级锁 ####

轻量级锁自旋一定次数后，膨胀为重量级锁，其他线程阻塞，当获取锁线程释放锁后唤醒其他线程。（线程阻塞和唤醒比上下文切换的时间影响大的多，涉及到用户态和内核态的切换  
**实现方式**: synchronized

### 1.6、分段锁 ###

在1.7的concurrenthashmap中有分段锁的实现，具体为默认16个的segement数组，其中segement继承自reentranklock，每个线程过来获取一个锁，然后操作这个锁下连着的map。  
**实现方式**:  
       我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，  
       它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；  
       同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。  
       当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。  
       但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。  
       分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

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## 2、往期佳文 ##

### 2.1、面试系列 ###

1、[吊打面试官之一面自我介绍][Link 1]  
2、[吊打面试官之一面项目介绍][Link 2]  
3、[吊打面试官之一面系统架构设计][Link 3]  
4、[吊打面试官之一面你负责哪一块][Link 4]  
5、[吊打面试官之一面试官提问][Link 5]  
6、[吊打面试官之一面你有什么问题吗][Link 6]

······持续更新中······

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### 2.2、技术系列 ###

1、[吊打面试官之分布式会话][Link 7]  
2、[吊打面试官之分布式锁][Link 8]  
3、[吊打面试官之乐观锁][Link 9]  
4、[吊打面试官之幂等性问题][Link 10]  
5、[吊打面试关之分布式事务][Link 11]  
6、[吊打面试官之项目线上问题排查][Link 12]

······持续更新中······

### 2.3、源码系列 ###

1、[源码分析之SpringBoot启动流程原理][SpringBoot]  
2、[源码分析之SpringBoot自动装配原理][SpringBoot 1]  
3、[源码分析之ArrayList容器][ArrayList]  
4、[源码分析之LinkedList容器][LinkedList]  
5、[源码分析之HashMap容器][HashMap]  
6、[源码分析之ConcurrentHashMap容器][ConcurrentHashMap]  
7、[源码分析之五种Map容器的区别][Map]

······持续更新中······

### 2.4、数据结构和算法系列 ###

1、[数据结构之八大数据结构][Link 13]  
2、[数据结构之动态查找树（二叉查找树，平衡二叉树，红黑树）][Link 14]

······持续更新中······

### 2.5、并发系列 ###

1、[并发系列之初识多线程][Link 15]  
2、[并发系列之JMM内存模型][JMM]  
3、[并发系列之synchronized解析][synchronized]  
4、[并发系列之volatile解析][volatile]  
5、[并发系列之synchronized与volatile的区别][synchronized_volatile]  
6、[并发系列之Lock解析][Lock]  
7、[并发系列之synchronized与lock的区别][synchronized_lock]  
8、[并发系列之CAS与原子操作][CAS]  
9、[并发系列之AQS分析][AQS]  
10、[并发系列之线程池解析][Link 16]

······持续更新中······

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114933478
[Link 2]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114983053
[Link 3]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115005012
[Link 4]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115064661
[Link 5]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115296365
[Link 6]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115402511
[Link 7]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114685293
[Link 8]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915987
[Link 9]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915177
[Link 10]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114888754
[Link 11]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115081790
[Link 12]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115292969
[SpringBoot]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115181539
[SpringBoot 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115233701
[ArrayList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115244565
[LinkedList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115314536
[HashMap]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115365586
[ConcurrentHashMap]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115549277
[Map]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115551781
[Link 13]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115342236
[Link 14]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115353145
[Link 15]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115386707
[JMM]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115455467
[synchronized]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115454573
[volatile]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115502376
[synchronized_volatile]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115512541
[Lock]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115524613
[synchronized_lock]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115536187
[CAS]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115611453
[AQS]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115614355
[Link 16]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115653127