Java 鎖機制總結_ZenDei技術網路在線

鎖的種類獨享鎖 VS 共用鎖獨享鎖：鎖只能被一個線程持有（synchronized）共用鎖：鎖可以被多個程式所持有（讀寫鎖）樂觀鎖 VS 悲觀鎖樂觀鎖：每次去拿數據的時候都樂觀地認為別人不會修改，所以不進行加鎖操作。樂觀鎖適用於多讀的應用類型。（CAS，Atomic） CAS（Compar ...

鎖的種類

獨享鎖 VS 共用鎖
- 獨享鎖：鎖只能被一個線程持有（synchronized）
- 共用鎖：鎖可以被多個程式所持有（讀寫鎖）
樂觀鎖 VS 悲觀鎖
- 樂觀鎖：每次去拿數據的時候都樂觀地認為別人不會修改，所以不進行加鎖操作。樂觀鎖適用於多讀的應用類型。（CAS，Atomic）
  - CAS（Compare And Swap），其思想是：我認為V的值應該為 A，如果是，那麼將 V 的值更新為 B，否則不修改並告訴V的值實際為多少。這樣一來當有多個線程嘗試修改同一個對象時，只有一個線程能夠成功修改，因為一旦有一個線程修改成功了，那麼其他線程就沒法滿足 V 的值是 A 了。其他線程修改失敗之後不會被掛起，而是再次嘗試修改。
- 悲觀鎖：總是假設最壞的情況，每次去拿數據的時候都認為別人會修改，所以每次在拿數據的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數據就會阻塞直到它拿到鎖。
公平鎖 VS 非公平鎖
- 公平鎖：對於等待鎖隊列中的線程，按照先來先得的原則，給予鎖。
- 非公平鎖：一個線程一執行到需要鎖的地方，就嘗試去要鎖，失敗了再進等待隊列。這樣一來，就能夠大大減少喚醒線程的開銷，但有可能會出現某線程餓死的情況。
  - synchronized 是非公平鎖，lock 可以是公平也可以非公平。
其他概念
- 可重入鎖（synchronized 和 lock）：可重入性表明瞭鎖的分配不是基於方法而是基於線程的。如：synchronized 了兩個方法 method1, method2，method1 中調用了 method2，那麼只要線程獲得了 method1 的鎖，那麼它就一定能夠進入 method2 而不需再申請鎖。
- 可中斷鎖（lockInterruptible()）：對於等待鎖的線程，若等待時間過長，想中斷該等待過程，讓該線程去做其他的事，那麼就需要可中斷鎖。

Java 鎖的狀態

Java 鎖狀態的級別從低到高為：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重要級鎖狀態，而鎖的狀態是被記錄在 Java 對象的對象頭中。

Java 的對象頭：由 Mark Word、指向類的指針、數組長度，其中 Mark Word 負責記錄有關鎖的信息

32 位 JVM 中 Mark Word 存儲的內容為

鎖狀態	25bit	4bit	1bit （是否是偏向鎖）	2bit （鎖標誌位）
無鎖	對象的 HashCode	分代年齡	0	01
偏向鎖	線程 ID 與 Epoch	分代年齡	1	01
輕量級鎖	指向棧中的鎖記錄指針	同前	同前	00
重量級鎖	指向重量級鎖的指針	同前	同前	10
GC 標記	空			11

偏向鎖、輕量級鎖概念的出現，都是為了減少同步喚醒的代價，若所有鎖都為重量級的，那麼所有等待鎖的線程必須進入阻塞態
- 偏向鎖：大多數情況下，鎖並不存在被大量線程競爭，而且總是由一個線程多次重覆申請，那麼這時只需要讓偏向鎖記錄該線程 ID，這樣當該線程又來聲請鎖的時候，就能快速獲得鎖了。
- 輕量級鎖：存在競爭，但是不強力且持有鎖的線程會很快釋放鎖，在這種情況下，等待鎖的線程可以處於自旋狀態，而不必進入阻塞狀態。
Java 中鎖的狀態是一級一級往上升的，具體情況為：
- 當未遇到同步代碼塊（即沒有出現鎖的時候），處於無鎖狀態。
- 當對象被當作了同步鎖，但當前只有一個線程 A 申請了該鎖（沒有競爭產生），那麼對象的鎖狀態就會升級為偏向鎖。
- 當又有另一線程 B 來申請鎖時，這時會檢查當前占用該鎖的線程 A 是否處於活躍狀態或者仍然需要該鎖，即是否有競爭會產生。若無，則偏向鎖偏向 B，A 釋放偏向鎖。
- 若有，那麼偏向鎖就會升級會輕量級鎖。但若競爭進一步加大（有很多線程需求鎖，且占用時間較長），那麼鎖就會進一步升級為重量級鎖。

Java 鎖機制的實現

synchronized

從上一節我們可以看出來，Java 中能夠作為鎖的只能是對象，所以 synchronized 的實現，也是通過對對象進行加鎖實現的。

synchronized 的三種用法
- synchronized aMethod，鎖一個類的方法，可以防止多個線程同時調用同一個對象的這個方法，但是能夠同時調用。
- static synchronized aMethod，鎖一個類的靜態方法，可以防止多個線程同時這個類的該靜態方法。
- synchronized (object){代碼塊}，把 object 對象當作該代碼塊的鎖
synchronized 使用起來簡單，但是有如下缺點
- 不支持中斷，可能造成其他線程等待很長的時間，甚至死鎖。
- 不支持讀寫鎖，即讀讀操作是能夠同時進行的，但是 synchronized 沒法實現。

Lock

Lock 是 java.util.concurrent.locks 包里的一個介面，對應的 ReentrantLock 類實現了該介面。

一般使用方法

public class LockTest {
    private Lock alock = new ReentrantLock(); // 鎖需要定義在具體使用鎖的棧幀的上一層，即若線上程里定義的話，不同的線程會 new 出不同的鎖，這樣就不能實現同步了。

    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            alock.lock(); // 獲得鎖
            try {
                // do something
            } catch(Exception e){

            } finally{
                alock.unlock();
            }
        }
        Thread test = new Thread(r);
        test.start();
    }
}

獲得鎖的方法
- lock(): 獲取鎖，若失敗，則等待
- tryLock(long time, TimeUnit unit): 嘗試獲得鎖，返回一個布爾值，表明是否獲得到了鎖。
- lockInterruptibly(): 若某一個線程使用這個方法等待獲取鎖，那麼可以通過 thread.interrupt() 的方法去讓他中斷等待，乾別的事。
除此之外，java.util.concurrent.locks 包內還定義有 ReadWriteLock 介面，並有多種讀寫鎖的實現類。

volatile

一種輕量級同步機制，能夠保證 volatile 修飾的變數具有可見性，但不具備原子性

原子性與可見性
- 原子性：在多線程併發的條件下，對於變數的操作是線程安全的，不會受到其他線程的干擾。Atomatic 基於底層硬體處理器提供的原子指令，保證併發時線程安全。
- 可見性：在多線程併發的條件下，對於變數的修改，其他線程中能獲取到修改後的。volatile 通過對於值的操作，會立即更新到主存中，當其他線程獲取該值會從主存中獲取。
使用方法與 synchronized 一樣，都是 Java 關鍵詞。

Atomatic

前面提到過 Atomatic 是一種樂觀鎖，它是通過操作的原子性來保證自己的線程安全的，即操作是不可被打斷的，且具有排他性。當某一線程進行該原子操作時，其他想要執行該操作的線程只能處於自旋狀態，等待該操作完成。

其實，這個給人的感覺，atomatic 有點像輕量級鎖，不過這種線程的等待，不是通過軟體實現的，而是通過硬體實現的（硬體上的原子操作）。
不過這種依靠硬體上的原子操作實現的鎖機制，導致 atomatic 的相關操作都比較基礎。
使用方法：參見 java.util.concurrent.atomic