24張圖帶你徹底搞懂Java中的21種鎖

本篇主要內(nèi)容如下：

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幫你總結(jié)好的鎖：

1、樂觀鎖

樂觀鎖是一種樂觀思想，假定當前環(huán)境是讀多寫少，遇到并發(fā)寫的概率比較低，讀數(shù)據(jù)時認為別的線程不會正在進行修改（所以沒有上鎖）。寫數(shù)據(jù)時，判斷當前 與期望值是否相同，如果相同則進行更新（更新期間加鎖，保證是原子性的）。

Java中的樂觀鎖： CAS，比較并替換，比較當前值（主內(nèi)存中的值），與預(yù)期值（當前線程中的值，主內(nèi)存中值的一份拷貝）是否一樣，一樣則更新，否則繼續(xù)進行CAS操作。

如上圖所示，可以同時進行讀操作，讀的時候其他線程不能進行寫操作。

2、悲觀鎖

悲觀鎖是一種悲觀思想，即認為寫多讀少，遇到并發(fā)寫的可能性高，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認為其他線程會修改，所以每次讀寫數(shù)據(jù)都會認為其他線程會修改，所以每次讀寫數(shù)據(jù)時都會上鎖。其他線程想要讀寫這個數(shù)據(jù)時，會被這個線程block，直到這個線程釋放鎖然后其他線程獲取到鎖。

Java中的悲觀鎖： synchronized修飾的方法和方法塊、ReentrantLock。

如上圖所示，只能有一個線程進行讀操作或者寫操作，其他線程的讀寫操作均不能進行。

3、自旋鎖

自旋鎖是一種技術(shù)： 為了讓線程等待，我們只須讓線程執(zhí)行一個忙循環(huán)（自旋）。

現(xiàn)在絕大多數(shù)的個人電腦和服務(wù)器都是多路（核）處理器系統(tǒng)，如果物理機器有一個以上的處理器或者處理器核心，能讓兩個或以上的線程同時并行執(zhí)行，就可以讓后面請求鎖的那個線程“稍等一會”，但不放棄處理器的執(zhí)行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。

自旋鎖的優(yōu)點： 避免了線程切換的開銷。掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這些操作給Java虛擬機的并發(fā)性能帶來了很大的壓力。

自旋鎖的缺點： 占用處理器的時間，如果占用的時間很長，會白白消耗處理器資源，而不會做任何有價值的工作，帶來性能的浪費。因此自旋等待的時間必須有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數(shù)仍然沒有成功獲得鎖，就應(yīng)當使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程。

自旋次數(shù)默認值：10次，可以使用參數(shù)-XX:PreBlockSpin來自行更改。

自適應(yīng)自旋： 自適應(yīng)意味著自旋的時間不再是固定的，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定的。有了自適應(yīng)自旋，隨著程序運行時間的增長及性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的狀態(tài)預(yù)測就會越來越精準。

Java中的自旋鎖： CAS操作中的比較操作失敗后的自旋等待。

4、可重入鎖（遞歸鎖）

可重入鎖是一種技術(shù)： 任意線程在獲取到鎖之后能夠再次獲取該鎖而不會被鎖所阻塞。

可重入鎖的原理： 通過組合自定義同步器來實現(xiàn)鎖的獲取與釋放。

• 再次獲取鎖：識別獲取鎖的線程是否為當前占據(jù)鎖的線程，如果是，則再次成功獲取。獲取鎖后，進行計數(shù)自增，
• 釋放鎖：釋放鎖時，進行計數(shù)自減。

Java中的可重入鎖： ReentrantLock、synchronized修飾的方法或代碼段。

可重入鎖的作用： 避免死鎖。

面試題1： 可重入鎖如果加了兩把，但是只釋放了一把會出現(xiàn)什么問題？

答：程序卡死，線程不能出來，也就是說我們申請了幾把鎖，就需要釋放幾把鎖。

面試題2： 如果只加了一把鎖，釋放兩次會出現(xiàn)什么問題？

答：會報錯，java.lang.IllegalMonitorStateException。

5、讀寫鎖

讀寫鎖是一種技術(shù)： 通過ReentrantReadWriteLock類來實現(xiàn)。為了提高性能， Java 提供了讀寫鎖，在讀的地方使用讀鎖，在寫的地方使用寫鎖，靈活控制，如果沒有寫鎖的情況下，讀是無阻塞的，在一定程度上提高了程序的執(zhí)行效率。讀寫鎖分為讀鎖和寫鎖，多個讀鎖不互斥，讀鎖與寫鎖互斥，這是由 jvm 自己控制的。

讀鎖： 允許多個線程獲取讀鎖，同時訪問同一個資源。

寫鎖： 只允許一個線程獲取寫鎖，不允許同時訪問同一個資源。

如何使用：

/**
* 創(chuàng)建一個讀寫鎖
* 它是一個讀寫融為一體的鎖，在使用的時候，需要轉(zhuǎn)換
*/
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

獲取讀鎖和釋放讀鎖

// 獲取讀鎖
rwLock.readLock().lock();

// 釋放讀鎖
rwLock.readLock().unlock();

獲取寫鎖和釋放寫鎖

// 創(chuàng)建一個寫鎖
rwLock.writeLock().lock();

// 寫鎖 釋放
rwLock.writeLock().unlock();

Java中的讀寫鎖：ReentrantReadWriteLock

6、公平鎖

公平鎖是一種思想： 多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。在并發(fā)環(huán)境中，每個線程會先查看此鎖維護的等待隊列，如果當前等待隊列為空，則占有鎖，如果等待隊列不為空，則加入到等待隊列的末尾，按照FIFO的原則從隊列中拿到線程，然后占有鎖。

7、非公平鎖

非公平鎖是一種思想： 線程嘗試獲取鎖，如果獲取不到，則再采用公平鎖的方式。多個線程獲取鎖的順序，不是按照先到先得的順序，有可能后申請鎖的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖。

優(yōu)點： 非公平鎖的性能高于公平鎖。

缺點： 有可能造成線程饑餓（某個線程很長一段時間獲取不到鎖）

Java中的非公平鎖：synchronized是非公平鎖，ReentrantLock通過構(gòu)造函數(shù)指定該鎖是公平的還是非公平的，默認是非公平的。

8、共享鎖

共享鎖是一種思想： 可以有多個線程獲取讀鎖，以共享的方式持有鎖。和樂觀鎖、讀寫鎖同義。

Java中用到的共享鎖：  ReentrantReadWriteLock。

9、獨占鎖

獨占鎖是一種思想： 只能有一個線程獲取鎖，以獨占的方式持有鎖。和悲觀鎖、互斥鎖同義。

Java中用到的獨占鎖： synchronized，ReentrantLock

10、重量級鎖

重量級鎖是一種稱謂： synchronized是通過對象內(nèi)部的一個叫做監(jiān)視器鎖（monitor）來實現(xiàn)的，監(jiān)視器鎖本身依賴底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock來實現(xiàn)。操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程的切換需要從用戶態(tài)切換到核心態(tài)，成本非常高。這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock來實現(xiàn)的鎖稱為重量級鎖。為了優(yōu)化synchonized，引入了輕量級鎖，偏向鎖。

Java中的重量級鎖： synchronized

11、輕量級鎖

輕量級鎖是JDK6時加入的一種鎖優(yōu)化機制： 輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量。輕量級是相對于使用操作系統(tǒng)互斥量來實現(xiàn)的重量級鎖而言的。輕量級鎖在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。如果出現(xiàn)兩條以上的線程爭用同一個鎖的情況，那輕量級鎖將不會有效，必須膨脹為重量級鎖。

優(yōu)點： 如果沒有競爭，通過CAS操作成功避免了使用互斥量的開銷。

缺點： 如果存在競爭，除了互斥量本身的開銷外，還額外產(chǎn)生了CAS操作的開銷，因此在有競爭的情況下，輕量級鎖比傳統(tǒng)的重量級鎖更慢。

12、偏向鎖

偏向鎖是JDK6時加入的一種鎖優(yōu)化機制： 在無競爭的情況下把整個同步都消除掉，連CAS操作都不去做了。偏是指偏心，它的意思是這個鎖會偏向于第一個獲得它的線程，如果在接下來的執(zhí)行過程中，該鎖一直沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要再進行同步。持有偏向鎖的線程以后每次進入這個鎖相關(guān)的同步塊時，虛擬機都可以不再進行任何同步操作（例如加鎖、解鎖及對Mark Word的更新操作等）。

優(yōu)點： 把整個同步都消除掉，連CAS操作都不去做了，優(yōu)于輕量級鎖。

缺點： 如果程序中大多數(shù)的鎖都總是被多個不同的線程訪問，那偏向鎖就是多余的。

13、分段鎖

分段鎖是一種機制： 最好的例子來說明分段鎖是ConcurrentHashMap。ConcurrentHashMap原理：它內(nèi)部細分了若干個小的 HashMap，稱之為段(Segment)。默認情況下一個 ConcurrentHashMap 被進一步細分為 16 個段，既就是鎖的并發(fā)度。如果需要在 ConcurrentHashMap 添加一項key-value，并不是將整個 HashMap 加鎖，而是首先根據(jù) hashcode 得到該key-value應(yīng)該存放在哪個段中，然后對該段加鎖，并完成 put 操作。在多線程環(huán)境中，如果多個線程同時進行put操作，只要被加入的key-value不存放在同一個段中，則線程間可以做到真正的并行。

線程安全：ConcurrentHashMap 是一個 Segment 數(shù)組， Segment 通過繼承ReentrantLock 來進行加鎖，所以每次需要加鎖的操作鎖住的是一個 segment，這樣只要保證每個 Segment 是線程安全的，也就實現(xiàn)了全局的線程安全

14、互斥鎖

互斥鎖與悲觀鎖、獨占鎖同義，表示某個資源只能被一個線程訪問，其他線程不能訪問。

• 讀-讀互斥
• 讀-寫互斥
• 寫-讀互斥
• 寫-寫互斥

Java中的同步鎖： synchronized

15、同步鎖

同步鎖與互斥鎖同義，表示并發(fā)執(zhí)行的多個線程，在同一時間內(nèi)只允許一個線程訪問共享數(shù)據(jù)。

Java中的同步鎖： synchronized

16、死鎖

死鎖是一種現(xiàn)象：如線程A持有資源x，線程B持有資源y，線程A等待線程B釋放資源y，線程B等待線程A釋放資源x，兩個線程都不釋放自己持有的資源，則兩個線程都獲取不到對方的資源，就會造成死鎖。

Java中的死鎖不能自行打破，所以線程死鎖后，線程不能進行響應(yīng)。所以一定要注意程序的并發(fā)場景，避免造成死鎖。

17、鎖粗化

鎖粗化是一種優(yōu)化技術(shù)： 如果一系列的連續(xù)操作都對同一個對象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作都是出現(xiàn)在循環(huán)體體之中，就算真的沒有線程競爭，頻繁地進行互斥同步操作將會導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以就采取了一種方案：把加鎖的范圍擴展（粗化）到整個操作序列的外部，這樣加鎖解鎖的頻率就會大大降低，從而減少了性能損耗。

18、鎖消除

鎖消除是一種優(yōu)化技術(shù)： 就是把鎖干掉。當Java虛擬機運行時發(fā)現(xiàn)有些共享數(shù)據(jù)不會被線程競爭時就可以進行鎖消除。

那如何判斷共享數(shù)據(jù)不會被線程競爭？

利用逃逸分析技術(shù)：分析對象的作用域，如果對象在A方法中定義后，被作為參數(shù)傳遞到B方法中，則稱為方法逃逸；如果被其他線程訪問，則稱為線程逃逸。

在堆上的某個數(shù)據(jù)不會逃逸出去被其他線程訪問到，就可以把它當作棧上數(shù)據(jù)對待，認為它是線程私有的，同步加鎖就不需要了。

19、synchronized

synchronized是Java中的關(guān)鍵字：用來修飾方法、對象實例。屬于獨占鎖、悲觀鎖、可重入鎖、非公平鎖。

• 1.作用于實例方法時，鎖住的是對象的實例(this)；

• 2.當作用于靜態(tài)方法時，鎖住的是 Class類，相當于類的一個全局鎖， 會鎖所有調(diào)用該方法的線程；

• 3.synchronized 作用于一個非 NULL的對象實例時，鎖住的是所有以該對象為鎖的代碼塊。它有多個隊列，當多個線程一起訪問某個對象監(jiān)視器的時候，對象監(jiān)視器會將這些線程存儲在不同的容器中。

每個對象都有個 monitor 對象， 加鎖就是在競爭 monitor 對象，代碼塊加鎖是在代碼塊前后分別加上 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現(xiàn)的，方法加鎖是通過一個標記位來判斷的。

20、Lock和synchronized的區(qū)別

Lock： 是Java中的接口，可重入鎖、悲觀鎖、獨占鎖、互斥鎖、同步鎖。

• 1.Lock需要手動獲取鎖和釋放鎖。就好比自動擋和手動擋的區(qū)別
• 2.Lock 是一個接口，而 synchronized 是 Java 中的關(guān)鍵字， synchronized 是內(nèi)置的語言實現(xiàn)。
• 3.synchronized 在發(fā)生異常時，會自動釋放線程占有的鎖，因此不會導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而 Lock 在發(fā)生異常時，如果沒有主動通過 unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用 Lock 時需要在 finally 塊中釋放鎖。
• 4.Lock 可以讓等待鎖的線程響應(yīng)中斷，而 synchronized 卻不行，使用 synchronized 時，等待的線程會一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷。
• 5.通過 Lock 可以知道有沒有成功獲取鎖，而 synchronized 卻無法辦到。
• 6.Lock 可以通過實現(xiàn)讀寫鎖提高多個線程進行讀操作的效率。

synchronized的優(yōu)勢：

• 足夠清晰簡單，只需要基礎(chǔ)的同步功能時，用synchronized。
• Lock應(yīng)該確保在finally塊中釋放鎖。如果使用synchronized，JVM確保即使出現(xiàn)異常，鎖也能被自動釋放。
• 使用Lock時，Java虛擬機很難得知哪些鎖對象是由特定線程鎖持有的。

21、ReentrantLock 和synchronized的區(qū)別

ReentrantLock是Java中的類 ： 繼承了Lock類，可重入鎖、悲觀鎖、獨占鎖、互斥鎖、同步鎖。

劃重點

相同點：

• 1.主要解決共享變量如何安全訪問的問題
• 2.都是可重入鎖，也叫做遞歸鎖，同一線程可以多次獲得同一個鎖，
• 3.保證了線程安全的兩大特性：可見性、原子性。

不同點：

• 1.ReentrantLock 就像手動汽車，需要顯示的調(diào)用lock和unlock方法， synchronized 隱式獲得釋放鎖。

• 2.ReentrantLock 可響應(yīng)中斷， synchronized 是不可以響應(yīng)中斷的，ReentrantLock 為處理鎖的不可用性提供了更高的靈活性

• 3.ReentrantLock 是 API 級別的， synchronized 是 JVM 級別的

• 4.ReentrantLock 可以實現(xiàn)公平鎖、非公平鎖，默認非公平鎖，synchronized 是非公平鎖，且不可更改。

• 5.ReentrantLock 通過 Condition 可以綁定多個條件

你好，我是悟空哥，7年項目開發(fā)經(jīng)驗，全棧工程師，開發(fā)組長，超喜歡圖解編程底層原理。正在編寫兩本PDF，分別是 1、Spring Cloud實戰(zhàn)項目（佳必過），2、Java并發(fā)必知必會。我還手寫了2個小程序，Java刷題小程序，PMP刷題小程序，點擊我的公眾號菜單打開！另外有111本架構(gòu)師資料以及1000道Java面試題，都整理成了PDF，可以關(guān)注公眾號 悟空聊架構(gòu) 回復(fù) 悟空 領(lǐng)取優(yōu)質(zhì)資料。