Java中的鎖有哪些?

出處：blog.csdn.net/fly910905/article/details/83022524

在讀很多并發(fā)文章中，會提及各種各樣鎖如公平鎖，樂觀鎖等等，這篇文章介紹各種鎖的分類。介紹的內(nèi)容如下：

• 公平鎖/非公平鎖
• 可重入鎖
• 獨享鎖/共享鎖
• 互斥鎖/讀寫鎖
• 樂觀鎖/悲觀鎖
• 分段鎖
• 偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖
• 自旋鎖

上面是很多鎖的名詞，這些分類并不是全是指鎖的狀態(tài)，有的指鎖的特性，有的指鎖的設(shè)計，下面總結(jié)的內(nèi)容是對每個鎖的名詞進行一定的解釋。

公平鎖/非公平鎖

• 公平鎖：是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。
• 非公平鎖：是指多個線程獲取鎖的順序并不是按照申請鎖的順序，有可能后申請的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖。有可能，會造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。
• 對于Java?ReentrantLock而言，通過構(gòu)造函數(shù)指定該鎖是否是公平鎖，默認是非公平鎖。非公平鎖的優(yōu)點在于吞吐量比公平鎖大。
• 對于Synchronized而言，也是一種非公平鎖。由于其并不像ReentrantLock是通過AQS的來實現(xiàn)線程調(diào)度，所以并沒有任何辦法使其變成公平鎖。

可重入鎖

可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，在進入內(nèi)層方法會自動獲取鎖。

說的有點抽象，下面會有一個代碼的示例。

• 對于Java?ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個可重入鎖，其名字是Re entrant Lock重新進入鎖。

• 對于Synchronized而言,也是一個可重入鎖。可重入鎖的一個好處是可一定程度避免死鎖。

synchronized?void?setA()?throws?Exception{
????Thread.sleep(1000);
????setB();
}
?
synchronized?void?setB()?throws?Exception{
????Thread.sleep(1000);
}

上面的代碼就是一個可重入鎖的一個特點，如果不是可重入鎖的話，setB可能不會被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

獨享鎖/共享鎖

獨享鎖：是指該鎖一次只能被一個線程所持有。
共享鎖：是指該鎖可被多個線程所持有。

• 對于Java?ReentrantLock而言，其是獨享鎖。

• 但是對于Lock的另一個實現(xiàn)類ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫鎖是獨享鎖。讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫，寫讀 ，寫寫的過程是互斥的。
• 獨享鎖與共享鎖也是通過AQS來實現(xiàn)的，通過實現(xiàn)不同的方法，來實現(xiàn)獨享或者共享。
• 對于Synchronized而言，當(dāng)然是獨享鎖。

互斥鎖/讀寫鎖

• 上面講的獨享鎖/共享鎖就是一種廣義的說法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實現(xiàn)。
• 互斥鎖在Java中的具體實現(xiàn)就是ReentrantLock
• 讀寫鎖在Java中的具體實現(xiàn)就是ReadWriteLock

樂觀鎖/悲觀鎖

• 樂觀鎖與悲觀鎖不是指具體的什么類型的鎖，而是指看待并發(fā)同步的角度。
• 悲觀鎖認為對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定是會發(fā)生修改的，哪怕沒有修改，也會認為修改。因此對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認為，不加鎖的并發(fā)操作一定會出問題。

• 樂觀鎖則認為對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，是不會發(fā)生修改的。在更新數(shù)據(jù)的時候，會采用嘗試更新，不斷重新的方式更新數(shù)據(jù)。樂觀的認為，不加鎖的并發(fā)操作是沒有事情的。

  
  

從上面的描述我們可以看出，悲觀鎖適合寫操作非常多的場景，樂觀鎖適合讀操作非常多的場景，不加鎖會帶來大量的性能提升。
悲觀鎖：在Java中的使用，就是利用各種鎖。
樂觀鎖：在Java中的使用，是無鎖編程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子類，通過CAS自旋實現(xiàn)原子操作的更新。

分段鎖

• 分段鎖其實是一種鎖的設(shè)計，并不是具體的一種鎖，對于ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實現(xiàn)就是通過分段鎖的形式來實現(xiàn)高效的并發(fā)操作。
• 我們以ConcurrentHashMap來說一下分段鎖的含義以及設(shè)計思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為Segment，它即類似于HashMap（JDK7與JDK8中HashMap的實現(xiàn)）的結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部擁有一個Entry數(shù)組，數(shù)組中的每個元素又是一個鏈表；同時又是一個ReentrantLock（Segment繼承了ReentrantLock)。
• 當(dāng)需要put元素的時候，并不是對整個hashmap進行加鎖，而是先通過hashcode來知道他要放在那一個分段中，然后對這個分段進行加鎖，所以當(dāng)多線程put的時候，只要不是放在一個分段中，就實現(xiàn)了真正的并行的插入。
• 但是，在統(tǒng)計size的時候，可就是獲取hashmap全局信息的時候，就需要獲取所有的分段鎖才能統(tǒng)計。
• 分段鎖的設(shè)計目的是細化鎖的粒度，當(dāng)操作不需要更新整個數(shù)組的時候，就僅僅針對數(shù)組中的一項進行加鎖操作。

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

• 這三種鎖是指鎖的狀態(tài)，并且是針對Synchronized。
• 在Java 5通過引入鎖升級的機制來實現(xiàn)高效Synchronized。這三種鎖的狀態(tài)是通過對象監(jiān)視器在對象頭中的字段來表明的。
• 偏向鎖：是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那么該線程會自動獲取鎖。降低獲取鎖的代價。
• 輕量級鎖：是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時候，被另一個線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提高性能。
• 重量級鎖：是指當(dāng)鎖為輕量級鎖的時候，另一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時候，還沒有獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的線程進入阻塞，性能降低。

自旋鎖

• 在Java中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖。
• 這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點是循環(huán)會消耗CPU。
• 自旋鎖是采用讓當(dāng)前線程不停地的在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行實現(xiàn)的，當(dāng)循環(huán)的條件被其他線程改變時 才能進入臨界區(qū)。

如下

public?class?SpinLock?{
?
??private?AtomicReference sign =new?AtomicReference<>();
?
??public?void?lock(){
????Thread current = Thread.currentThread();
????while(!sign .compareAndSet(null, current)){
????}
??}
?
??public?void?unlock?(){
????Thread current = Thread.currentThread();
????sign .compareAndSet(current, null);
??}
}

使用了CAS原子操作，lock函數(shù)將owner設(shè)置為當(dāng)前線程，并且預(yù)測原來的值為空。unlock函數(shù)將owner設(shè)置為null，并且預(yù)測值為當(dāng)前線程。

當(dāng)有第二個線程調(diào)用lock操作時由于owner值不為空，導(dǎo)致循環(huán)一直被執(zhí)行，直至第一個線程調(diào)用unlock函數(shù)將owner設(shè)置為null，第二個線程才能進入臨界區(qū)。

由于自旋鎖只是將當(dāng)前線程不停地執(zhí)行循環(huán)體，不進行線程狀態(tài)的改變，所以響應(yīng)速度更快。但當(dāng)線程數(shù)不停增加時，性能下降明顯，因為每個線程都需要執(zhí)行，占用CPU時間。如果線程競爭不激烈，并且保持鎖的時間段。適合使用自旋鎖。

注：該例子為非公平鎖，獲得鎖的先后順序，不會按照進入lock的先后順序進行。