24張圖帶你徹底理解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(lè)觀鎖

樂(lè)觀鎖是一種樂(lè)觀思想，假定當(dāng)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(shí)認(rèn)為別的線程不會(huì)正在進(jìn)行修改（所以沒(méi)有上鎖）。寫數(shù)據(jù)時(shí)，判斷當(dāng)前 與期望值是否相同，如果相同則進(jìn)行更新（更新期間加鎖，保證是原子性的）。

Java中的樂(lè)觀鎖： CAS，比較并替換，比較當(dāng)前值（主內(nèi)存中的值），與預(yù)期值（當(dāng)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(jìn)行CAS操作。

如上圖所示，可以同時(shí)進(jìn)行讀操作，讀的時(shí)候其他線程不能進(jìn)行寫操作。

2、悲觀鎖

悲觀鎖是一種悲觀思想，即認(rèn)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(shí)候都認(rèn)為其他線程會(huì)修改，所以每次讀寫數(shù)據(jù)都會(huì)認(rèn)為其他線程會(huì)修改，所以每次讀寫數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)上鎖。其他線程想要讀寫這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)被這個(gè)線程block，直到這個(gè)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(gè)線程進(jìn)行讀操作或者寫操作，其他線程的讀寫操作均不能進(jìn)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(gè)忙循環(huán)（自旋）。

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

自旋鎖的優(yōu)點(diǎn)： 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(jī)的并發(fā)性能帶來(lái)了很大的壓力。

自旋鎖的缺點(diǎn)： 占用處理器的時(shí)間，如果占用的時(shí)間很長(zhǎng)，會(huì)白白消耗處理器資源，而不會(huì)做任何有價(jià)值的工作，帶來(lái)性能的浪費(fèi)。因此自旋等待的時(shí)間必須有一定的限度，如果自旋超過(guò)了限定的次數(shù)仍然沒(méi)有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程。

自旋次數(shù)默認(rèn)值：10次，可以使用參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)自行更改。

自適應(yīng)自旋： 自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再是固定的，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定的。有了自適應(yīng)自旋，隨著程序運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)及性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀態(tài)預(yù)測(cè)就會(huì)越來(lái)越精準(zhǔn)。

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(huì)被鎖所阻塞。

可重入鎖的原理： 通過(guò)組合自定義同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的獲取與釋放。

• 再次獲取鎖：識(shí)別獲取鎖的線程是否為當(dāng)前占據(jù)鎖的線程，如果是，則再次成功獲取。獲取鎖后，進(jìn)行計(jì)數(shù)自增，
• 釋放鎖：釋放鎖時(shí)，進(jìn)行計(jì)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(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？

答：程序卡死，線程不能出來(lái)，也就是說(shuō)我們申請(qǐng)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(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？

答：會(huì)報(bào)錯(cuò)，java.lang.IllegalMonitorStateException。

5、讀寫鎖

讀寫鎖是一種技術(shù)： 通過(guò)ReentrantReadWriteLock類來(lái)實(shí)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(méi)有寫鎖的情況下，讀是無(wú)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(gè)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(gè)線程獲取讀鎖，同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)資源。

寫鎖： 只允許一個(gè)線程獲取寫鎖，不允許同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)資源。

如何使用：

/**
*?創(chuàng)建一個(gè)讀寫鎖
*?它是一個(gè)讀寫融為一體的鎖，在使用的時(shí)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(gè)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(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來(lái)獲取鎖。在并發(fā)環(huán)境中，每個(gè)線程會(huì)先查看此鎖維護(hù)的等待隊(duì)列，如果當(dāng)前等待隊(duì)列為空，則占有鎖，如果等待隊(duì)列不為空，則加入到等待隊(duì)列的末尾，按照FIFO的原則從隊(duì)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(gè)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(qǐng)鎖的線程比先申請(qǐng)的線程優(yōu)先獲取鎖。

優(yōu)點(diǎn)： 非公平鎖的性能高于公平鎖。

缺點(diǎn)： 有可能造成線程饑餓（某個(gè)線程很長(zhǎng)一段時(shí)間獲取不到鎖）

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

8、共享鎖

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

Java中用到的共享鎖： ?ReentrantReadWriteLock。

9、獨(dú)占鎖

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

Java中用到的獨(dú)占鎖： synchronized，ReentrantLock

10、重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖是一種稱謂： synchronized是通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖（monitor）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，監(jiān)視器鎖本身依賴底層的操作系統(tǒng)的 Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的鎖稱為重量級(jí)鎖。為了優(yōu)化synchonized，引入了輕量級(jí)鎖，偏向鎖。

Java中的重量級(jí)鎖： synchronized

11、輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖是JDK6時(shí)加入的一種鎖優(yōu)化機(jī)制： 輕量級(jí)鎖是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量。輕量級(jí)是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的重量級(jí)鎖而言的。輕量級(jí)鎖在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)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(zhēng)用同一個(gè)鎖的情況，那輕量級(jí)鎖將不會(huì)有效，必須膨脹為重量級(jí)鎖。

優(yōu)點(diǎn)： 如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)CAS操作成功避免了使用互斥量的開銷。

缺點(diǎn)： 如果存在競(jìng)爭(zhēng)，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(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

12、偏向鎖

偏向鎖是JDK6時(shí)加入的一種鎖優(yōu)化機(jī)制： 在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)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(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程，如果在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中，該鎖一直沒(méi)有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作（例如加鎖、解鎖及對(duì)Mark Word的更新操作等）。

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

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

13、分段鎖

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

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

14、互斥鎖

互斥鎖與悲觀鎖、獨(dú)占鎖同義，表示某個(gè)資源只能被一個(gè)線程訪問(wèn)，其他線程不能訪問(wèn)。

• 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(gè)線程，在同一時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)線程訪問(wèn)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(gè)線程都不釋放自己持有的資源，則兩個(gè)線程都獲取不到對(duì)方的資源，就會(huì)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(jìn)行響應(yīng)。所以一定要注意程序的并發(fā)場(chǎng)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(duì)同一個(gè)對(duì)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(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作將會(huì)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(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部，這樣加鎖解鎖的頻率就會(huì)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(dāng)Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)有些共享數(shù)據(jù)不會(huì)被線程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)就可以進(jìn)行鎖消除。

那如何判斷共享數(shù)據(jù)不會(huì)被線程競(jìng)爭(zhēng)？

利用逃逸分析技術(shù)：分析對(duì)象的作用域，如果對(duì)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(wèn)，則稱為線程逃逸。

在堆上的某個(gè)數(shù)據(jù)不會(huì)逃逸出去被其他線程訪問(wèn)到，就可以把它當(dāng)作棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)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(lái)修飾方法、對(duì)象實(shí)例。屬于獨(dú)占鎖、悲觀鎖、可重入鎖、非公平鎖。

• 1.作用于實(shí)例方法時(shí)，鎖住的是對(duì)象的實(shí)例(this)；

• 2.當(dāng)作用于靜態(tài)方法時(shí)，鎖住的是 Class類，相當(dāng)于類的一個(gè)全局鎖， 會(huì)鎖所有調(diào)用該方法的線程；

• 3.synchronized 作用于一個(gè)非 NULL的對(duì)象實(shí)例時(shí)，鎖住的是所有以該對(duì)象為鎖的代碼塊。它有多個(gè)隊(duì)列，當(dāng)多個(gè)線程一起訪問(wèn)某個(gè)對(duì)象監(jiān)視器的時(shí)候，對(duì)象監(jiān)視器會(huì)將這些線程存儲(chǔ)在不同的容器中。

每個(gè)對(duì)象都有個(gè) monitor 對(duì)象， 加鎖就是在競(jìng)爭(zhēng) monitor 對(duì)象，代碼塊加鎖是在代碼塊前后分別加上 monitorenter 和 monitorexit 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，方法加鎖是通過(guò)一個(gè)標(biāo)記位來(lái)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(dú)占鎖、互斥鎖、同步鎖。

• 1.Lock需要手動(dòng)獲取鎖和釋放鎖。就好比自動(dòng)擋和手動(dòng)擋的區(qū)別
• 2.Lock 是一個(gè)接口，而 synchronized 是 Java 中的關(guān)鍵字， synchronized 是內(nèi)置的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
• 3.synchronized 在發(fā)生異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放線程占有的鎖，因此不會(huì)導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象發(fā)生；而 Lock 在發(fā)生異常時(shí)，如果沒(méi)有主動(dòng)通過(guò) unLock()去釋放鎖，則很可能造成死鎖現(xiàn)象，因此使用 Lock 時(shí)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(shí)，等待的線程會(huì)一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷。
• 5.通過(guò) Lock 可以知道有沒(méi)有成功獲取鎖，而 synchronized 卻無(wú)法辦到。
• 6.Lock 可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)讀寫鎖提高多個(gè)線程進(jìn)行讀操作的效率。

synchronized的優(yōu)勢(shì)：

• 足夠清晰簡(jiǎn)單，只需要基礎(chǔ)的同步功能時(shí)，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(dòng)釋放。
• 使用Lock時(shí)，Java虛擬機(jī)很難得知哪些鎖對(duì)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(dú)占鎖、互斥鎖、同步鎖。

劃重點(diǎn)

相同點(diǎn)：

• 1.主要解決共享變量如何安全訪問(wèn)的問(wèn)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(gè)鎖，
• 3.保證了線程安全的兩大特性：可見(jiàn)性、原子性。

不同點(diǎn)：

• 1.ReentrantLock 就像手動(dòng)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(jí)別的， synchronized 是 JVM 級(jí)別的

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

• 5.ReentrantLock 通過(guò) Condition 可以綁定多個(gè)條件

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