不是朱锁锁的“锁”

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2023-01-07 03:47 102阅读 0赞

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如果学习 Java 的中“锁” 能跟看朱锁锁一样快乐就好了

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# 1 锁的分类 #

## 1.1 偏向锁/轻量级锁/重量级锁 ##

**（1）偏向锁（做标记，没有竞争）**

一个对象被初始化后，还没有任何线程来获取它的锁时，那么它就是可偏向的，当有第一个线程来访问它并尝试获取锁的时候，它就将这个线程记录下来，以后如果尝试获取锁的线程正是偏向锁的拥有者，就可以直接获得锁，开销很小，性能最好。

**（2）轻量级锁（CAS，短时间的竞争）**

JVM 开发者发现在很多情况下，synchronized 中的代码是被多个线程交替执行的，而不是同时执行的，也就是说并不存在实际的竞争，或者是只有短时间的锁竞争，用 CAS 就可以解决，这种情况下，用完全互斥的重量级锁是没必要的。轻量级锁是指当锁原来是偏向锁的时候，被另一个线程访问，说明存在竞争，那么偏向锁就会升级为轻量级锁，线程会通过自旋的形式尝试获取锁，而不会陷入阻塞。

**（3）重量级锁（互斥锁，长时间的竞争）**

当多个线程直接有实际竞争，且锁竞争时间长的时候，轻量级锁不能满足需求，锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请却拿不到锁的线程进入阻塞状态。

**锁升级**

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针对 synchronized 获取锁的方式，JVM 使用了锁升级的优化方式，就是先使用偏向锁优先同一线程然后再次获取锁，如果失败，就升级为 CAS 轻量级锁，如果失败就会短暂自旋，防止线程被系统挂起。最后如果以上都失败就升级为重量级锁。

## 1.2 可重入锁/非可重入锁 ##

**（1）可重入锁**

可重入锁指的是线程当前已经持有这把锁了，能在不释放这把锁的情况下，再次获取这把锁。ReentrantLock 是典型的可重入锁，reentrant 的意思就是可重入，它也是 Lock 接口最主要的一个实现类。

> com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource\#init 里面用到了 ReentrantLock
> 
>     final ReentrantLock lock = this.lock;
>     try {
>          // 允许在等待时由其它线程调用等待线程的Thread.interrupt方法来中断等待线程的等待而直接返 
>          //回，这时不用获取锁，而会抛出一个InterruptedException
>          lock.lockInterruptibly();
>     } catch (InterruptedException e) {
>          throw new SQLException("interrupt", e);
>     }

**（2）不可重入锁**

不可重入锁指的是虽然线程当前持有了这把锁，但是如果想再次获取这把锁，也必须要先释放锁后才能再次尝试获取。

## 1.3 共享锁/独占锁 ##

共享锁指的是我们同一把锁可以被多个线程同时获得，而独占锁指的就是，这把锁只能同时被一个线程获得。我们的读写锁，就最好地诠释了共享锁和独占锁的理念。读写锁中的**读锁，是共享锁**，而**写锁是独占锁**。读锁可以被同时读，可以同时被多个线程持有，而写锁最多只能同时被一个线程持有。

## 1.4 公平锁/非公平锁 ##

公平锁的公平的含义在于如果线程现在拿不到这把锁，那么线程就都会进入等待，开始排队，在等待队列里等待时间长的线程会优先拿到这把锁，有先来先得的意思。而非公平锁就不那么“完美”了，它会在一定情况下，忽略掉已经在排队的线程，发生插队现象。

## 1.5 悲观锁/乐观锁 ##

**（1）悲观锁**

悲观锁的概念是在获取资源之前，必须先拿到锁，以便达到“独占”的状态，当前线程在操作资源的时候，其他线程由于不能拿到锁，所以其他线程不能来影响我。

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**应用**

ReentrantLock 类中的 lock() 等方法就是执行加锁，而 unlock() 方法是执行解锁。处理资源之前必须要先加锁并拿到锁，等到处理完了之后再解开锁，这就是非常典型的悲观锁思想。

MySQL 选择 select for update 语句，就是悲观锁，在提交之前不允许第三方来修改该数据，这当然会造成一定的性能损耗，在高并发的情况下是不可取的。

**使用场景**

悲观锁适合用于并发写入多、临界区代码复杂、竞争激烈等场景，这种场景下悲观锁可以避免大量的无用的反复尝试等消耗。

**（2）乐观锁**

而乐观锁恰恰相反，它并不要求在获取资源前拿到锁，也不会锁住资源；相反，乐观锁利用 CAS 理念，在不独占资源的情况下，完成了对资源的修改。

**应用**

可以利用一个版本 version 字段在数据库中实现乐观锁。在获取及修改数据时都不需要加锁，但是更新数据时，会检查版本号和获取数据时的版本号是否一致，如果一致就直接更新，如果不一致，说明计算期间已经有其他线程修改过这个数据了，可以选择重新获取数据，重新计算，然后再次尝试更新数据。

UPDATE student
        SET 
            name = ‘小文’,
            version= 2
        WHERE   id= 100
            AND version= 1

**使用场景**

乐观锁适用于大部分是读取，少部分是修改的场景，也适合虽然读写都很多，但是并发并不激烈的场景。

## 1.6 自旋锁/非自旋锁 ##

自旋锁的理念是如果线程现在拿不到锁，并不直接陷入阻塞或者释放 CPU 资源，而是开始利用循环，不停地尝试获取锁，这个循环过程被形象地比喻为“自旋”，就像是线程在“自我旋转”。相反，非自旋锁的理念就是没有自旋的过程，如果拿不到锁就直接放弃，或者进行其他的处理逻辑，例如去排队、陷入阻塞等。

## 1.7 可中断锁/不可中断锁 ##

synchronized 关键字修饰的锁代表的是不可中断锁，一旦线程申请了锁，就没有回头路了，只能等到拿到锁以后才能进行其他的逻辑处理。而我们的 ReentrantLock 是一种典型的可中断锁，例如使用 lockInterruptibly 方法在获取锁的过程中，突然不想获取了，那么也可以在中断之后去做其他的事情，不需要一直傻等到获取到锁才离开。

# 2 synchronized 背后的 " monitor " 锁 #

最简单的同步方式就是利用 synchronized 关键字来修饰代码块或一个方法，这部分被保护的代码，在同一时刻只能有一个线程可以运行。

public synchronized void method() {
        method body
    }

等价的伪代码

public void method() {
        this.intrinsicLock.lock();
        try{
            method body
        }
        finally {
            this.intrinsicLock.unlock();
        }
    }

用 javap 命令查看反汇编的结果

public void method();
    ...
    monitorenter // 加锁
    ...
    monitorexit  // 释放锁

synchronized 代码块实际上多了 monitorenter 和 monitorexit 指令。每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器，未被锁定的对象的该计数器为 0。

**monitorenter**

*  如果该 monitor 的计数为 0，则线程获得该 monitor 并将其计数设置为 1。然后，该线程就是这个 monitor 的所有者。
 *  如果线程已经拥有了这个 monitor ，则它将重新进入，并且累加计数。
 *  如果其他线程已经拥有了这个 monitor，那个这个线程就会被阻塞，直到这个 monitor 的计数变成为 0，代表这个 monitor 已经被释放了，于是当前这个线程就会再次尝试获取这个 monitor。

**monitorexit**

monitorexit 的作用是将 monitor 的计数器减 1，直到减为 0 为止，代表这个 monitor 已经被释放了，其他正在等待这个 monitor 的线程，此时便可以再次尝试获取这个 monitor 的所有权。

# 3 synchronized 和 Lock #

## 3.1 相同点 ##

**（1）**都可以用来保护资源的安全性

**（2）**都可以保证可见性

**（3）**都拥有可重入的特点

## 3.2 不同点 ##

**（1）用法不同**

synchronized 关键字可以加在方法上，不需要指定锁对象（此时的锁对象为 this），也可以新建一个同步代码块并且自定义 monitor 锁对象；而 Lock 接口必须显示用 Lock 锁对象开始加锁 lock() 和解锁 unlock()，并且一般会在 finally 块中确保用 unlock() 来解锁，以防发生死锁。

与 Lock 显式的加锁和解锁不同的是 synchronized 的加解锁是隐式的，尤其是抛异常的时候也能保证释放锁。

**（2）加解锁顺序不同**

// Lock 可以不完全按照加锁的反序解锁，比如可以先获取 Lock1 锁，再获取 Lock2 锁
    // 解锁时则先解锁 Lock1，再解锁 Lock2，加解锁有一定的灵活度
    lock1.lock();
    lock2.lock();
    ...
    lock1.unlock();
    lock2.unlock();
    
    // synchronized 解锁的顺序和加锁的顺序必须完全相反
     synchronized(obj1){
        synchronized(obj2){
            ...
        }
    
    }

**（3）synchronized 锁不够灵活**

一旦 synchronized 锁已经被某个线程获得了，此时其他线程如果还想获得，那它只能被阻塞，直到持有锁的线程运行完毕或者发生异常从而释放这个锁。如果持有锁的线程持有很长时间才释放，那么整个程序的运行效率就会降低，而且如果持有锁的线程永远不释放锁，那么尝试获取锁的线程只能永远等下去。

Lock 类在等锁的过程中，如果使用的是 lockInterruptibly 方法，那么如果觉得等待的时间太长了不想再继续等待，可以中断退出，也可以用 tryLock() 等方法尝试获取锁，如果获取不到锁也可以做别的事，更加灵活。

**（4）synchronized 锁只能同时被一个线程拥有，但是 Lock 锁没有这个限制**

例如在读写锁中的读锁，是可以同时被多个线程持有的，可是 synchronized 做不到。

**（5）性能区别**

在 Java 5 以及之前，synchronized 的性能比较低，但是到了 Java 6 以后，发生了变化，因为 JDK 对 synchronized 进行了很多优化，比如自适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等，所以后期的 Java 版本里的 synchronized 的性能并不比 Lock 差。

## 3.3 如何选择 ##

1.  如果能不用，最好既不使用 Lock 也不使用 synchronized。大多数情况下可以使用 java.util.concurrent 包中的机制，它会处理所有的加锁和解锁操作，也就是推荐优先使用工具类来加解锁；
2.  如果 synchronized 关键字适合你的程序，那么请尽量使用它，这样可以减少编写代码的数量，减少出错的概率。因为一旦忘记在 finally 里 unlock，代码可能会出很大的问题，而使用 synchronized 更安全；
3.  如果特别需要 Lock 的特殊功能，比如可中断、超时功能等，才使用 Lock。

# 4 AQS #

AQS 是一个用于构建锁、同步器等线程协作工具类的框架。

## 4.1 AQS 的内部原理 ##

AQS 有三大核心部分

### state 状态 ###

/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

state 的含义并不是一成不变的，它会**根据具体实现类的作用不同而表示不同的含义。**

（1）在 CountDownLatch 工具类里面，state 表示的是**需要“倒数”的数量**。一开始我们假设把它设置为 5，当每次调用 CountDown 方法时，state 就会减 1，一直减到 0 的时候就代表这个门闩被放开。

（2）在 ReentrantLock 中它表示的是**锁的占有情况**。最开始是 0，表示没有任何线程占有锁；如果 state 变成 1，则就代表这个锁已经被某一个线程所持有了。

### FIFO 队列 ###

这个队列最主要的作用是存储等待的线程。假设很多线程都想要同时抢锁，那么大部分的线程是抢不到的，那怎么去处理这些抢不到锁的线程呢？就得需要有一个队列来存放、管理它们。所以 AQS 的一大功能就是充当线程的“**排队管理器**”。

### 获取/释放方法 ###

这些方法是协作工具类的**逻辑**的**具体体现**，需要每一个协作工具类**自己去实现**，所以在不同的工具类中，它们的实现和含义各不相同。

**获取方法**

（1）ReentrantLock 中的 lock 方法就是其中一个“获取方法”，执行时，如果发现 state 不等于 0 且当前线程不是持有锁的线程，那么就代表这个锁已经被其他线程所持有了。这个时候，当然就获取不到锁，于是就让该线程进入阻塞状态。

（2）Semaphore 中的 acquire 方法就是其中一个“获取方法”，作用是获取许可证，此时能不能获取到这个许可证也取决于 state 的值。如果 state 值是正数，那么代表还有剩余的许可证，数量足够的话，就可以成功获取；但如果 state 是 0，则代表已经没有更多的空余许可证了，此时这个线程就获取不到许可证，会进入阻塞状态，所以这里同样也是和 state 的值相关的。

（3）CountDownLatch 获取方法就是 await 方法（包含重载方法），作用是“等待，直到倒数结束”。执行 await 的时候会判断 state 的值，如果 state 不等于 0，线程就陷入阻塞状态，直到其他线程执行倒数方法把 state 减为 0，此时就代表现在这个门闩放开了，所以之前阻塞的线程就会被唤醒。

“获取方法”在不同的类中代表不同的含义，但往往**和 state 值相关**，也经常会让线程进入**阻塞**状态，这也同样证明了 state 状态在 AQS 类中的重要地位。

**释放方法**

释放方法通常是**不会阻塞线程**的。

（1） Semaphore 信号量里面，释放就是 release 方法（包含重载方法），release() 方法的作用是去释放一个许可证，会让 state 加 1；

（2）CountDownLatch 里面，释放就是 countDown 方法，作用是倒数一个数，让 state 减 1。

在不同的实现类里面，他们对于 state 的操作是截然不同的，需要由每一个协作类根据自己的逻辑去具体实现。

## 4.2 AQS 用法 ##

（1）新建一个自己的线程协作工具类，在内部写一个 Sync 类，该 Sync 类继承 AbstractQueuedSynchronizer，即 AQS；

（2）想好设计的线程协作工具类的协作逻辑，在 Sync 类里，根据是否是独占，来重写对应的方法。如果是独占，则重写 tryAcquire 和 tryRelease 等方法；如果是非独占，则重写 tryAcquireShared 和 tryReleaseShared 等方法；

（3）在自己的线程协作工具类中，实现获取/释放的相关方法，并在里面调用 AQS 对应的方法，如果是独占则调用 acquire 或 release 等方法，非独占则调用 acquireShared 或 releaseShared 或 acquireSharedInterruptibly 等方法。

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[20210301000158195.png]: /images/20221119/ce161a84a3044a5d8fbe57278b597794.png
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