樂(lè)觀鎖和悲觀鎖

悲觀鎖

悲觀鎖對(duì)應(yīng)于生活中悲觀的人，悲觀的人總是想著事情往壞的方向發(fā)展。

舉個(gè)生活中的例子，假設(shè)廁所只有一個(gè)坑位了，悲觀鎖上廁所會(huì)第一時(shí)間把門(mén)反鎖上，這樣其他人上廁所只能在門(mén)外等候，這種狀態(tài)就是「阻塞」了。

回到代碼世界中，一個(gè)共享數(shù)據(jù)加了悲觀鎖，那線程每次想操作這個(gè)數(shù)據(jù)前都會(huì)假設(shè)其他線程也可能會(huì)操作這個(gè)數(shù)據(jù)，所以每次操作前都會(huì)上鎖，這樣其他線程想操作這個(gè)數(shù)據(jù)拿不到鎖只能阻塞了。

在 Java 語(yǔ)言中 synchronized 和 ReentrantLock等就是典型的悲觀鎖，還有一些使用了 synchronized 關(guān)鍵字的容器類如 HashTable 等也是悲觀鎖的應(yīng)用。

樂(lè)觀鎖

樂(lè)觀鎖 對(duì)應(yīng)于生活中樂(lè)觀的人，樂(lè)觀的人總是想著事情往好的方向發(fā)展。

舉個(gè)生活中的例子，假設(shè)廁所只有一個(gè)坑位了，樂(lè)觀鎖認(rèn)為：這荒郊野外的，又沒(méi)有什么人，不會(huì)有人搶我坑位的，每次關(guān)門(mén)上鎖多浪費(fèi)時(shí)間，還是不加鎖好了。你看樂(lè)觀鎖就是天生樂(lè)觀！

回到代碼世界中，樂(lè)觀鎖操作數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)上鎖，在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間是否有其他線程去更新這個(gè)數(shù)據(jù)。

樂(lè)觀鎖可以使用版本號(hào)機(jī)制和CAS算法實(shí)現(xiàn)。在 Java 語(yǔ)言中 java.util.concurrent.atomic包下的原子類就是使用CAS 樂(lè)觀鎖實(shí)現(xiàn)的。

兩種鎖的使用場(chǎng)景

悲觀鎖和樂(lè)觀鎖沒(méi)有孰優(yōu)孰劣，有其各自適應(yīng)的場(chǎng)景。

樂(lè)觀鎖適用于寫(xiě)比較少（沖突比較?。┑膱?chǎng)景，因?yàn)椴挥蒙湘i、釋放鎖，省去了鎖的開(kāi)銷，從而提升了吞吐量。

如果是寫(xiě)多讀少的場(chǎng)景，即沖突比較嚴(yán)重，線程間競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)，使用樂(lè)觀鎖就是導(dǎo)致線程不斷進(jìn)行重試，這樣可能還降低了性能，這種場(chǎng)景下使用悲觀鎖就比較合適。

獨(dú)占鎖和共享鎖

獨(dú)占鎖

獨(dú)占鎖是指鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。如果一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)加上排他鎖后，那么其他線程不能再對(duì)該數(shù)據(jù)加任何類型的鎖。獲得獨(dú)占鎖的線程即能讀數(shù)據(jù)又能修改數(shù)據(jù)。

JDK中的synchronized和java.util.concurrent(JUC)包中Lock的實(shí)現(xiàn)類就是獨(dú)占鎖。

共享鎖

共享鎖是指鎖可被多個(gè)線程所持有。如果一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)加上共享鎖后，那么其他線程只能對(duì)數(shù)據(jù)再加共享鎖，不能加獨(dú)占鎖。獲得共享鎖的線程只能讀數(shù)據(jù)，不能修改數(shù)據(jù)。

在 JDK 中 ReentrantReadWriteLock 就是一種共享鎖。

互斥鎖和讀寫(xiě)鎖

互斥鎖

互斥鎖是獨(dú)占鎖的一種常規(guī)實(shí)現(xiàn)，是指某一資源同時(shí)只允許一個(gè)訪問(wèn)者對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，具有唯一性和排它性。

互斥鎖一次只能一個(gè)線程擁有互斥鎖，其他線程只有等待。

讀寫(xiě)鎖

讀寫(xiě)鎖是共享鎖的一種具體實(shí)現(xiàn)。讀寫(xiě)鎖管理一組鎖，一個(gè)是只讀的鎖，一個(gè)是寫(xiě)鎖。

讀鎖可以在沒(méi)有寫(xiě)鎖的時(shí)候被多個(gè)線程同時(shí)持有，而寫(xiě)鎖是獨(dú)占的。寫(xiě)鎖的優(yōu)先級(jí)要高于讀鎖，一個(gè)獲得了讀鎖的線程必須能看到前一個(gè)釋放的寫(xiě)鎖所更新的內(nèi)容。

讀寫(xiě)鎖相比于互斥鎖并發(fā)程度更高，每次只有一個(gè)寫(xiě)線程，但是同時(shí)可以有多個(gè)線程并發(fā)讀。

在 JDK 中定義了一個(gè)讀寫(xiě)鎖的接口：ReadWriteLock

publicinterfaceReadWriteLock{
/**
*獲取讀鎖
*/
LockreadLock();

/**
*獲取寫(xiě)鎖
*/
LockwriteLock();
}

ReentrantReadWriteLock 實(shí)現(xiàn)了ReadWriteLock接口，具體實(shí)現(xiàn)這里不展開(kāi)，后續(xù)會(huì)深入源碼解析。

公平鎖和非公平鎖

公平鎖

公平鎖是指多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來(lái)獲取鎖，這里類似排隊(duì)買(mǎi)票，先來(lái)的人先買(mǎi)，后來(lái)的人在隊(duì)尾排著，這是公平的。

在 java 中可以通過(guò)構(gòu)造函數(shù)初始化公平鎖

/**
*創(chuàng)建一個(gè)可重入鎖，true 表示公平鎖，false 表示非公平鎖。默認(rèn)非公平鎖
*/
Locklock=newReentrantLock(true);

非公平鎖

非公平鎖是指多個(gè)線程獲取鎖的順序并不是按照申請(qǐng)鎖的順序，有可能后申請(qǐng)的線程比先申請(qǐng)的線程優(yōu)先獲取鎖，在高并發(fā)環(huán)境下，有可能造成優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，或者饑餓的狀態(tài)（某個(gè)線程一直得不到鎖）。

在 java 中 synchronized 關(guān)鍵字是非公平鎖，ReentrantLock默認(rèn)也是非公平鎖。

/**
*創(chuàng)建一個(gè)可重入鎖，true 表示公平鎖，false 表示非公平鎖。默認(rèn)非公平鎖
*/
Locklock=newReentrantLock(false);

可重入鎖

可重入鎖又稱之為遞歸鎖，是指同一個(gè)線程在外層方法獲取了鎖，在進(jìn)入內(nèi)層方法會(huì)自動(dòng)獲取鎖。

對(duì)于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個(gè)可重入鎖。對(duì)于Synchronized而言，也是一個(gè)可重入鎖。

敲黑板：可重入鎖的一個(gè)好處是可一定程度避免死鎖。

以 synchronized 為例，看一下下面的代碼：

publicsynchronizedvoidmehtodA()throwsException{
//Dosomemagictings
mehtodB();
}

publicsynchronizedvoidmehtodB()throwsException{
//Dosomemagictings
}

上面的代碼中 methodA 調(diào)用 methodB，如果一個(gè)線程調(diào)用methodA 已經(jīng)獲取了鎖再去調(diào)用 methodB 就不需要再次獲取鎖了，這就是可重入鎖的特性。如果不是可重入鎖的話，mehtodB 可能不會(huì)被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

自旋鎖

自旋鎖是指線程在沒(méi)有獲得鎖時(shí)不是被直接掛起，而是執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)，這個(gè)忙循環(huán)就是所謂的自旋。

自旋鎖的目的是為了減少線程被掛起的幾率，因?yàn)榫€程的掛起和喚醒也都是耗資源的操作。

如果鎖被另一個(gè)線程占用的時(shí)間比較長(zhǎng)，即使自旋了之后當(dāng)前線程還是會(huì)被掛起，忙循環(huán)就會(huì)變成浪費(fèi)系統(tǒng)資源的操作，反而降低了整體性能。因此自旋鎖是不適應(yīng)鎖占用時(shí)間長(zhǎng)的并發(fā)情況的。

在 Java 中，AtomicInteger 類有自旋的操作，我們看一下代碼：

publicfinalintgetAndAddInt(Objecto,longoffset,intdelta){
intv;
do{
v=getIntVolatile(o,offset);
}while(!compareAndSwapInt(o,offset,v,v+delta));
returnv;
}

CAS 操作如果失敗就會(huì)一直循環(huán)獲取當(dāng)前 value 值然后重試。

另外自適應(yīng)自旋鎖也需要了解一下。

在JDK1.6又引入了自適應(yīng)自旋，這個(gè)就比較智能了，自旋時(shí)間不再固定，由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。如果虛擬機(jī)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功那就會(huì)次序較多的時(shí)間，如果自旋很少成功，那以后可能就直接省略掉自旋過(guò)程，避免浪費(fèi)處理器資源。

分段鎖

分段鎖 是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖。

分段鎖設(shè)計(jì)目的是將鎖的粒度進(jìn)一步細(xì)化，當(dāng)操作不需要更新整個(gè)數(shù)組的時(shí)候，就僅僅針對(duì)數(shù)組中的一項(xiàng)進(jìn)行加鎖操作。

在 Java 語(yǔ)言中 CurrentHashMap 底層就用了分段鎖，使用Segment，就可以進(jìn)行并發(fā)使用了。

鎖升級(jí)（無(wú)鎖|偏向鎖|輕量級(jí)鎖|重量級(jí)鎖）

JDK1.6 為了提升性能減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的消耗，引入了4種鎖的狀態(tài)：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖，它會(huì)隨著多線程的競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)，但不能降級(jí)。

無(wú)鎖

無(wú)鎖狀態(tài)其實(shí)就是上面講的樂(lè)觀鎖，這里不再贅述。

偏向鎖

Java偏向鎖(Biased Locking)是指它會(huì)偏向于第一個(gè)訪問(wèn)鎖的線程，如果在運(yùn)行過(guò)程中，只有一個(gè)線程訪問(wèn)加鎖的資源，不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況，那么線程是不需要重復(fù)獲取鎖的，這種情況下，就會(huì)給線程加一個(gè)偏向鎖。

偏向鎖的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)控制對(duì)象Mark Word的標(biāo)志位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果當(dāng)前是可偏向狀態(tài)，需要進(jìn)一步判斷對(duì)象頭存儲(chǔ)的線程 ID 是否與當(dāng)前線程 ID 一致，如果一致直接進(jìn)入。

輕量級(jí)鎖

當(dāng)線程競(jìng)爭(zhēng)變得比較激烈時(shí)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，輕量級(jí)鎖認(rèn)為雖然競(jìng)爭(zhēng)是存在的，但是理想情況下競(jìng)爭(zhēng)的程度很低，通過(guò)自旋方式等待上一個(gè)線程釋放鎖。

重量級(jí)鎖

如果線程并發(fā)進(jìn)一步加劇，線程的自旋超過(guò)了一定次數(shù)，或者一個(gè)線程持有鎖，一個(gè)線程在自旋，又來(lái)了第三個(gè)線程訪問(wèn)時(shí)（反正就是競(jìng)爭(zhēng)繼續(xù)加大了），輕量級(jí)鎖就會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖會(huì)使除了此時(shí)擁有鎖的線程以外的線程都阻塞。

升級(jí)到重量級(jí)鎖其實(shí)就是互斥鎖了，一個(gè)線程拿到鎖，其余線程都會(huì)處于阻塞等待狀態(tài)。

在 Java 中，synchronized 關(guān)鍵字內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理就是鎖升級(jí)的過(guò)程：無(wú)鎖 --> 偏向鎖 --> 輕量級(jí)鎖 --> 重量級(jí)鎖。這一過(guò)程在后續(xù)講解 synchronized 關(guān)鍵字的原理時(shí)會(huì)詳細(xì)介紹。

鎖優(yōu)化技術(shù)（鎖粗化、鎖消除）

鎖粗化

鎖粗化就是將多個(gè)同步塊的數(shù)量減少，并將單個(gè)同步塊的作用范圍擴(kuò)大，本質(zhì)上就是將多次上鎖、解鎖的請(qǐng)求合并為一次同步請(qǐng)求。

舉個(gè)例子，一個(gè)循環(huán)體中有一個(gè)代碼同步塊，每次循環(huán)都會(huì)執(zhí)行加鎖解鎖操作。

privatestaticfinalObjectLOCK=newObject();

for(inti=0;i

	

	經(jīng)過(guò)鎖粗化后就變成下面這個(gè)樣子了：

	
synchronized(LOCK){
for(inti=0;i

	

	鎖消除

	鎖消除是指虛擬機(jī)編譯器在運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到了共享數(shù)據(jù)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的鎖，從而將這些鎖進(jìn)行消除。

	舉個(gè)例子讓大家更好理解。

	
publicStringtest(Strings1,Strings2){
StringBufferstringBuffer=newStringBuffer();
stringBuffer.append(s1);
stringBuffer.append(s2);
returnstringBuffer.toString();
}


	

	上面代碼中有一個(gè) test 方法，主要作用是將字符串 s1 和字符串 s2 串聯(lián)起來(lái)。

	test 方法中三個(gè)變量s1, s2, stringBuffer， 它們都是局部變量，局部變量是在棧上的，棧是線程私有的，所以就算有多個(gè)線程訪問(wèn) test 方法也是線程安全的。

	我們都知道 StringBuffer 是線程安全的類，append 方法是同步方法，但是 test 方法本來(lái)就是線程安全的，為了提升效率，虛擬機(jī)幫我們消除了這些同步鎖，這個(gè)過(guò)程就被稱為鎖消除。

	
StringBuffer.class

//append是同步方法
publicsynchronizedStringBufferappend(Stringstr){
toStringCache=null;
super.append(str);
returnthis;
}


	

	一張圖總結(jié)：

	前面講了 Java 語(yǔ)言中各種各種的鎖，最后再通過(guò)六個(gè)問(wèn)題統(tǒng)一總結(jié)一下：

	

	





	審核編輯：劉清