Java中的鎖種類介紹

本篇文章給大家分享的是有關(guān)Java中的鎖種類介紹，小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家學(xué)習(xí)，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說，跟著小編一起來看看吧。

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樂觀鎖與悲觀鎖

鎖的一種宏觀分類是樂觀鎖與悲觀鎖。樂觀鎖與悲觀鎖并不是特定的指哪個鎖（Java 中也沒有那個具體鎖的實(shí)現(xiàn)名就叫樂觀鎖或悲觀鎖），而是在并發(fā)情況下兩種不同的策略。

樂觀鎖（Optimistic Lock）就是很樂觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人不會修改。所以不會上鎖。但是如果想要更新數(shù)據(jù)，則會在更新之前檢查在讀取至更新這段時間別人有沒有修改過這個數(shù)據(jù)。如果修改過，則重新讀取，再次嘗試更新，循環(huán)上述步驟直到更新成功（當(dāng)然也允許更新失敗的線程放棄更新操作）。

悲觀鎖（Pessimistic Lock）就是很悲觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人會修改。所以每次都在拿數(shù)據(jù)的時候上鎖。

這樣別人拿數(shù)據(jù)的時候就會被擋住，直到悲觀鎖釋放，想獲取數(shù)據(jù)的線程再去獲取鎖，然后再獲取數(shù)據(jù)。

悲觀鎖阻塞事務(wù)，樂觀鎖回滾重試，它們個有優(yōu)缺點(diǎn)，沒有好壞之分，只有適應(yīng)場景的不同區(qū)別。比如：樂觀鎖適合用于寫比較少的情況下，即沖突真的很少發(fā)生的場景，這樣可以省去鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的整個吞吐量。但是如果經(jīng)常產(chǎn)生沖突，上層應(yīng)用會不斷的進(jìn)行重試，這樣反而降低了性能，所以這種場景悲觀鎖比較合適。

總結(jié)：樂觀鎖適合寫比較少，沖突很少發(fā)生的場景；而寫多，沖突多的場景適合使用悲觀鎖。

樂觀鎖的基礎(chǔ) --- CAS

在樂觀鎖的實(shí)現(xiàn)中，我們必須要了解的一個概念：CAS。

什么是 CAS 呢？ Compare-and-Swap，即比較并替換，或者比較并設(shè)置。

比較：讀取到一個值 A，在將其更新為 B 之前，檢查原值是否為 A（未被其它線程修改過，這里忽略 ABA 問題）。

替換：如果是，更新 A 為 B，結(jié)束。如果不是，則不會更新。

上面兩個步驟都是原子操作，可以理解為瞬間完成，在 CPU 看來就是一步操作。

有了 CAS，就可以實(shí)現(xiàn)一個樂觀鎖：

public class OptimisticLockSample{
    
    public void test(){
        int data = 123; // 共享數(shù)據(jù)
        
        // 更新數(shù)據(jù)的線程會進(jìn)行如下操作
        for (;;) {
            int oldData = data;
            int newData = doSomething(oldData);
            
            // 下面是模擬 CAS 更新操作，嘗試更新 data 的值
            if (data == oldData) { // compare
                data = newData; // swap
                break; // finish
            } else {
                // 什么都不敢，循環(huán)重試
            }
        }   
    }
    
    /**
    * 
    * 很明顯，test() 里面的代碼根本不是原子性的，只是展示了下 CAS 的流程。
    * 因?yàn)檎嬲?CAS 利用了 CPU 指令。
    *  
    * */ 
    
}

在 Java 中也是通過 native 方法實(shí)現(xiàn)的 CAS。

public final class Unsafe {
    
    ...
    
    public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object 
    var5);
    
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    
    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);  
    
    ...
}

上面寫了一個簡單直觀的樂觀鎖（確切的來說應(yīng)該是樂觀鎖流程）的實(shí)現(xiàn)，它允許多個線程同時讀?。ㄒ?yàn)楦緵]有加鎖操作），如果更新數(shù)據(jù)的話，

有且僅有一個線程可以成功更新數(shù)據(jù)，并導(dǎo)致其它線程需要回滾重試。CAS 利用 CPU 指令，從硬件層面保證了原子性，以達(dá)到類似于鎖的效果。

從樂觀鎖的整個流程中可以看出，并沒有加鎖和解鎖的操作，因此樂觀鎖策略也被稱作為無鎖編程。換句話說，樂觀鎖其實(shí)不是"鎖"，

它僅僅是一個循環(huán)重試的 CAS 算法而已。

自旋鎖

synchronized 與 Lock interface

Java 中兩種實(shí)現(xiàn)加鎖的方式：一種是使用 synchronized 關(guān)鍵字，另一種是使用 Lock 接口的實(shí)現(xiàn)類。

在一篇文章中看到一個好的對比，非常形象，synchronized 關(guān)鍵字就像是自動擋，可以滿足一切的駕駛需求。

但是如果你想要做更高級的操作，比如玩漂移或者各種高級的騷操作，那么就需要手動擋，也就是 Lock 接口的實(shí)現(xiàn)類。

而 synchronized 在經(jīng)過 Java 每個版本的各種優(yōu)化后，效率也變得很高了。只是使用起來沒有 Lock 接口的實(shí)現(xiàn)類那么方便。

synchronized 鎖升級過程就是其優(yōu)化的核心：偏向鎖 -> 輕量級鎖 -> 重量級鎖

class Test{
    private static final Object object = new Object(); 
    
    public void test(){
        synchronized(object) {
            // do something        
        }   
    }
    
}

使用 synchronized 關(guān)鍵字鎖住某個代碼塊的時候，一開始鎖對象（就是上述代碼中的 object）并不是重量級鎖，而是偏向鎖。

偏向鎖的字面意思就是"偏向于第一個獲取它的線程"的鎖。線程執(zhí)行完同步代碼塊之后，并不會主動釋放偏向鎖。當(dāng)?shù)诙蔚竭_(dá)同步代碼塊時，線程會判斷此時持有鎖的線程是否就是自己（持有鎖的線程 ID 在對象頭里存儲），如果是則正常往下執(zhí)行。由于之前沒有釋放，這里就不需要重新加鎖，如果從頭到尾都是一個線程在使用鎖，很明顯偏向鎖幾乎沒有額外開銷，性能極高。

一旦有第二個線程加入鎖競爭，偏向鎖轉(zhuǎn)換為輕量級鎖（自旋鎖）。鎖競爭：如果多個線程輪流獲取一個鎖，但是每次獲取的時候都很順利，沒有發(fā)生阻塞，那么就不存在鎖競爭。只有當(dāng)某線程獲取鎖的時候，發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被占用，需要等待其釋放，則說明發(fā)生了鎖競爭。

在輕量級鎖狀態(tài)上繼續(xù)鎖競爭，沒有搶到鎖的線程進(jìn)行自旋操作，即在一個循環(huán)中不停判斷是否可以獲取鎖。獲取鎖的操作，就是通過 CAS 操作修改對象頭里的鎖標(biāo)志位。先比較當(dāng)前鎖標(biāo)志位是否為釋放狀態(tài)，如果是，將其設(shè)置為鎖定狀態(tài)，比較并設(shè)置是原子性操作，這個是 JVM 層面保證的。當(dāng)前線程就算持有了鎖，然后線程將當(dāng)前鎖的持有者信息改為自己。

假如我們獲取到鎖的線程操作時間很長，比如會進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，數(shù)據(jù)量很大的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋荒敲雌渌却i的線程就會進(jìn)入長時間的自旋操作，這個過程是非常耗資源的。其實(shí)這時候相當(dāng)于只有一個線程在有效地工作，其它的線程什么都干不了，在白白地消耗 CPU，這種現(xiàn)象叫做忙等。（busy-waiting）。所以如果多個線程使用獨(dú)占鎖，但是沒有發(fā)生鎖競爭，或者發(fā)生了很輕微的鎖競爭，那么synchronized 就是輕量級鎖，允許短時間的忙等現(xiàn)象。這是一種擇中的想法，短時間的忙等，換取線程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換的開銷。

顯然，忙等是有限度的（JVM 有一個計(jì)數(shù)器記錄自旋次數(shù)，默認(rèn)允許循環(huán) 10 次，可以通過虛擬機(jī)參數(shù)更改）。如果鎖競爭情況嚴(yán)重，

達(dá)到某個最大自旋次數(shù)的線程，會將輕量級鎖升級為重量級鎖（依然是通過 CAS 修改鎖標(biāo)志位，但不修改持有鎖的線程 ID）。當(dāng)后續(xù)線程嘗試獲取鎖時，發(fā)現(xiàn)被占用的鎖是重量級鎖，則直接將自己掛起（而不是上面說的忙等，即不會自旋），等待釋放鎖的線程去喚醒。在 JDK1.6 之前， synchronized直接加重量級鎖，很明顯現(xiàn)在通過一系列的優(yōu)化過后，性能明顯得到了提升。

JVM 中，synchronized 鎖只能按照偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的順序逐漸升級（也有把這個稱為鎖膨脹的過程），不允許降級。

可重入鎖（遞歸鎖）

可重入鎖的字面意思是"可以重新進(jìn)入的鎖"，即允許同一個線程多次獲取同一把鎖。比如一個遞歸函數(shù)里有加鎖操作，遞歸函數(shù)里這個鎖會阻塞自己么？

如果不會，那么這個鎖就叫可重入鎖（因?yàn)檫@個原因可重入鎖也叫做遞歸鎖）。

Java 中以 Reentrant 開頭命名的鎖都是可重入鎖，而且 JDK 提供的所有現(xiàn)成 Lock 的實(shí)現(xiàn)類，包括 synchronized 關(guān)鍵字鎖都是可重入的。

如果真的需要不可重入鎖，那么就需要自己去實(shí)現(xiàn)了，獲取去網(wǎng)上搜索一下，有很多，自己實(shí)現(xiàn)起來也很簡單。

如果不是可重入鎖，在遞歸函數(shù)中就會造成死鎖，所以 Java 中的鎖基本都是可重入鎖，不可重入鎖的意義不是很大，我暫時沒有想到什么場景下會用到；

注意：有想到需要不可重入鎖場景的小伙伴們可以留言一起探討。

下圖展示一下 Lock 的相關(guān)實(shí)現(xiàn)類：

Java中的鎖種類介紹

公平鎖和非公平鎖

如果多個線程申請一把公平鎖，那么獲得鎖的線程釋放鎖的時候，先申請的先得到，很公平。如果是非公平鎖，后申請的線程可能先獲得鎖，是隨機(jī)獲取還是其它方式，都是根據(jù)實(shí)現(xiàn)算法而定的。

對 ReentrantLock 類來說，通過構(gòu)造函數(shù)可以指定該鎖是否是公平鎖，默認(rèn)是非公平鎖。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，非公平鎖的吞吐量比公平鎖的大，如果沒有特殊要求，優(yōu)先考慮使用非公平鎖。

而對于 synchronized 鎖而言，它只能是一種非公平鎖，沒有任何方式使其變成公平鎖。這也是 ReentrantLock 相對于 synchronized 鎖的一個優(yōu)點(diǎn)，更加的靈活。

以下是 ReentrantLock 構(gòu)造器代碼：

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了 FairSync 和 NonfairSync 兩個內(nèi)部類來實(shí)現(xiàn)公平鎖和非公平鎖。

可中斷鎖

字面意思是"可以響應(yīng)中斷的鎖"。

首先，我們需要理解的是什么是中斷。 Java 中并沒有提供任何可以直接中斷線程的方法，只提供了中斷機(jī)制。那么何為中斷機(jī)制呢？

線程 A 向線程 B 發(fā)出"請你停止運(yùn)行"的請求，就是調(diào)用 Thread.interrupt() 的方法（當(dāng)然線程 B 本身也可以給自己發(fā)送中斷請求，

即 Thread.currentThread().interrupt()），但線程 B 并不會立即停止運(yùn)行，而是自行選擇在合適的時間點(diǎn)以自己的方式響應(yīng)中斷，也可以直接忽略此中斷。也就是說，Java 的中斷不能直接終止線程，只是設(shè)置了狀態(tài)為響應(yīng)中斷的狀態(tài)，需要被中斷的線程自己決定怎么處理。這就像在讀書的時候，老師在晚自習(xí)時叫學(xué)生自己復(fù)習(xí)功課，但學(xué)生是否復(fù)習(xí)功課，怎么復(fù)習(xí)功課則完全取決于學(xué)生自己。

回到鎖的分析上來，如果線程 A 持有鎖，線程 B 等待持獲取該鎖。由于線程 A 持有鎖的時間過長，線程 B 不想繼續(xù)等了，我們可以讓線程 B 中斷。

自己或者在別的線程里面中斷 B，這種就是可中段鎖。

在 Java 中， synchronized 鎖是不可中斷鎖，而 Lock 的實(shí)現(xiàn)類都是可中斷鎖。從而可以看出 JDK 自己實(shí)現(xiàn)的 Lock 鎖更加的靈活，這也就是有了 synchronized 鎖后，為什么還要實(shí)現(xiàn)那么些 Lock 的實(shí)現(xiàn)類。

Lock 接口的相關(guān)定義：

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

其中 lockInterruptibly 就是獲取可中斷鎖。

共享鎖

字面意思是多個線程可以共享一個鎖。一般用共享鎖都是在讀數(shù)據(jù)的時候，比如我們可以允許 10 個線程同時讀取一份共享數(shù)據(jù)，這時候我們可以設(shè)置一個有 10 個憑證的共享鎖。

在 Java 中，也有具體的共享鎖實(shí)現(xiàn)類，比如 Semaphore。

互斥鎖

字面意思是線程之間互相排斥的鎖，也就是表明鎖只能被一個線程擁有。

在 Java 中， ReentrantLock、synchronized 鎖都是互斥鎖。

讀寫鎖

讀寫鎖其實(shí)是一對鎖，一個讀鎖（共享鎖）和一個寫鎖（互斥鎖、排他鎖）。

在 Java 中， ReadWriteLock 接口只規(guī)定了兩個方法，一個返回讀鎖，一個返回寫鎖。

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     *
     * @return the lock used for reading
     */
    Lock readLock();
    /**
     * Returns the lock used for writing.
     *
     * @return the lock used for writing
     */
    Lock writeLock();
}

文章前面講過[樂觀鎖策略](#樂觀鎖的基礎(chǔ) --- CAS)，所有線程可以隨時讀，僅在寫之前判斷值有沒有被更改。

讀寫鎖其實(shí)做的事情是一樣的，但是策略稍有不同。很多情況下，線程知道自己讀取數(shù)據(jù)后，是否是為了更改它。那么為何不在加鎖的時候直接明確。

這一點(diǎn)呢？如果我讀取值是為了更新它（SQL 的 for update 就是這個意思），那么加鎖的時候直接加寫鎖，我持有寫鎖的時候，別的線程。

無論是讀還是寫都需要等待；如果讀取數(shù)據(jù)僅僅是為了前端展示，那么加鎖時就明確加一個讀鎖，其它線程如果也要加讀鎖，不需要等待，可以直接獲?。ㄗx鎖計(jì)數(shù)器加 1）。

雖然讀寫鎖感覺與樂觀鎖有點(diǎn)像，但是讀寫鎖是悲觀鎖策略。因?yàn)樽x寫鎖并沒有在更新前判斷值有沒有被修改過，而是在加鎖前決定應(yīng)該用讀鎖還是寫鎖。樂觀鎖特指無鎖編程。

JDK 內(nèi)部提供了一個唯一一個 ReadWriteLock 接口實(shí)現(xiàn)類是 ReentrantReadWriteLock。通過名字可以看到該鎖提供了讀寫鎖，并且也是可重入鎖。

總結(jié)

Java 中使用的各種鎖基本都是悲觀鎖，那么 Java 中有樂觀鎖么？結(jié)果是肯定的，那就是 java.util.concurrent.atomic 下面的原子類都是通過樂觀鎖實(shí)現(xiàn)的。如下：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

通過上述源碼可以發(fā)現(xiàn)，在一個循環(huán)里面不斷 CAS，直到成功為止。

參數(shù)介紹

-XX:-UseBiasedLocking=false 關(guān)閉偏向鎖
JDK1.6 
-XX:+UseSpinning 開啟自旋鎖
-XX:PreBlockSpin=10 設(shè)置自旋次數(shù) 
JDK1.7 之后 去掉此參數(shù)，由 JVM 控制

以上就是Java中的鎖種類介紹，小編相信有部分知識點(diǎn)可能是我們?nèi)粘９ぷ鲿姷交蛴玫降?。希望你能通過這篇文章學(xué)到更多知識。更多詳情敬請關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

網(wǎng)站欄目：Java中的鎖種類介紹
URL標(biāo)題：http://muchs.cn/article32/ispppc.html

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