Java 中15種鎖的介紹

在讀很多并發(fā)文章中，會(huì)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 / 不可重入鎖
• 獨(dú)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(jí)鎖 / 重量級(jí)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(jì)，下面總結(jié)的內(nèi)容是對(duì)每個(gè)鎖的名詞進(jìn)行一定的解釋。

公平鎖 / 非公平鎖

公平鎖

• 公平鎖是指多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來獲取鎖。

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。有可能，會(huì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。

對(duì)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(rèn)是非公平鎖。非公平鎖的優(yōu)點(diǎn)在于吞吐量比公平鎖大。
對(duì)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(shí)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 / 不可重入鎖

可重入鎖

廣義上的可重入鎖指的是可重復(fù)可遞歸調(diào)用的鎖，在外層使用鎖之后，在內(nèi)層仍然可以使用，并且不發(fā)生死鎖（前提得是同一個(gè)對(duì)象或者class），這樣的鎖就叫做可重入鎖。ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖

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(gè)可重入鎖的一個(gè)特點(diǎn)，如果不是可重入鎖的話，setB可能不會(huì)被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

不可重入鎖

不可重入鎖，與可重入鎖相反，不可遞歸調(diào)用，遞歸調(diào)用就發(fā)生死鎖。看到一個(gè)經(jīng)典的講解，使用自旋鎖來模擬一個(gè)不可重入鎖，代碼如下

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;public class UnreentrantLock {private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();//這句是很經(jīng)典的“自旋”語法，AtomicInteger中也有for (;;) {if (!owner.compareAndSet(null, current)) {return;}}}public void unlock() {Thread current = Thread.currentThread();owner.compareAndSet(current, null);} }

代碼也比較簡(jiǎn)單，使用原子引用來存放線程，同一線程兩次調(diào)用lock()方法，如果不執(zhí)行unlock()釋放鎖的話，第二次調(diào)用自旋的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生死鎖，這個(gè)鎖就不是可重入的，而實(shí)際上同一個(gè)線程不必每次都去釋放鎖再來獲取鎖，這樣的調(diào)度切換是很耗資源的。

把它變成一個(gè)可重入鎖：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;public class UnreentrantLock {private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();private int state = 0;public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();if (current == owner.get()) {state++;return;}//這句是很經(jīng)典的“自旋”式語法，AtomicInteger中也有for (;;) {if (!owner.compareAndSet(null, current)) {return;}}}public void unlock() {Thread current = Thread.currentThread();if (current == owner.get()) {if (state != 0) {state--;} else {owner.compareAndSet(current, null);}}} }

在執(zhí)行每次操作之前，判斷當(dāng)前鎖持有者是否是當(dāng)前對(duì)象，采用state計(jì)數(shù)，不用每次去釋放鎖。

ReentrantLock中可重入鎖實(shí)現(xiàn)

這里看非公平鎖的鎖獲取方法：

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}//就是這里else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false; }

在AQS中維護(hù)了一個(gè)private volatile int state來計(jì)數(shù)重入次數(shù)，避免了頻繁的持有釋放操作，這樣既提升了效率，又避免了死鎖。

獨(dú)享鎖 / 共享鎖

獨(dú)享鎖和共享鎖在你去讀C.U.T包下的ReeReentrantLock和ReentrantReadWriteLock你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它倆一個(gè)是獨(dú)享一個(gè)是共享鎖。

• 獨(dú)享鎖：該鎖每一次只能被一個(gè)線程所持有。
• 共享鎖：該鎖可被多個(gè)線程共有，典型的就是ReentrantReadWriteLock里的讀鎖，它的讀鎖是可以被共享的，但是它的寫鎖確每次只能被獨(dú)占。

另外讀鎖的共享可保證并發(fā)讀是非常高效的，但是讀寫和寫寫，寫讀都是互斥的。

獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過AQS來實(shí)現(xiàn)的，通過實(shí)現(xiàn)不同的方法，來實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。
對(duì)于Synchronized而言，當(dāng)然是獨(dú)享鎖。

互斥鎖 / 讀寫鎖

互斥鎖

在訪問共享資源之前對(duì)進(jìn)行加鎖操作，在訪問完成之后進(jìn)行解鎖操作。 加鎖后，任何其他試圖再次加鎖的線程會(huì)被阻塞，直到當(dāng)前進(jìn)程解鎖。

如果解鎖時(shí)有一個(gè)以上的線程阻塞，那么所有該鎖上的線程都被編程就緒狀態(tài)， 第一個(gè)變?yōu)榫途w狀態(tài)的線程又執(zhí)行加鎖操作，那么其他的線程又會(huì)進(jìn)入等待。 在這種方式下，只有一個(gè)線程能夠訪問被互斥鎖保護(hù)的資源

讀寫鎖

讀寫鎖既是互斥鎖，又是共享鎖，read模式是共享，write是互斥(排它鎖)的。

讀寫鎖有三種狀態(tài)：讀加鎖狀態(tài)、寫加鎖狀態(tài)和不加鎖狀態(tài)

讀寫鎖在Java中的具體實(shí)現(xiàn)就是ReadWriteLock

一次只有一個(gè)線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個(gè)線程可以同時(shí)占有讀模式的讀寫鎖。
只有一個(gè)線程可以占有寫狀態(tài)的鎖，但可以有多個(gè)線程同時(shí)占有讀狀態(tài)鎖，這也是它可以實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的原因。當(dāng)其處于寫狀態(tài)鎖下，任何想要嘗試獲得鎖的線程都會(huì)被阻塞，直到寫狀態(tài)鎖被釋放；如果是處于讀狀態(tài)鎖下，允許其它線程獲得它的讀狀態(tài)鎖，但是不允許獲得它的寫狀態(tài)鎖，直到所有線程的讀狀態(tài)鎖被釋放；為了避免想要嘗試寫操作的線程一直得不到寫狀態(tài)鎖，當(dāng)讀寫鎖感知到有線程想要獲得寫狀態(tài)鎖時(shí)，便會(huì)阻塞其后所有想要獲得讀狀態(tài)鎖的線程。所以讀寫鎖非常適合資源的讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的情況。

樂觀鎖 / 悲觀鎖

悲觀鎖

總是假設(shè)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖（共享資源每次只給一個(gè)線程使用，其它線程阻塞，用完后再把資源轉(zhuǎn)讓給其它線程）。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。Java中synchronized和ReentrantLock等獨(dú)占鎖就是悲觀鎖思想的實(shí)現(xiàn)。

樂觀鎖

總是假設(shè)最好的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)機(jī)制和CAS算法實(shí)現(xiàn)。樂觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫提供的類似于write_condition機(jī)制，其實(shí)都是提供的樂觀鎖。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式CAS實(shí)現(xiàn)的。

分段鎖

分段鎖其實(shí)是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖，對(duì)于ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實(shí)現(xiàn)就是通過分段鎖的形式來實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。

并發(fā)容器類的加鎖機(jī)制是基于粒度更小的分段鎖，分段鎖也是提升多并發(fā)程序性能的重要手段之一。

在并發(fā)程序中，串行操作是會(huì)降低可伸縮性，并且上下文切換也會(huì)減低性能。在鎖上發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)將通水導(dǎo)致這兩種問題，使用獨(dú)占鎖時(shí)保護(hù)受限資源的時(shí)候，基本上是采用串行方式—-每次只能有一個(gè)線程能訪問它。所以對(duì)于可伸縮性來說最大的威脅就是獨(dú)占鎖。

我們一般有三種方式降低鎖的競(jìng)爭(zhēng)程度：?
1、減少鎖的持有時(shí)間?
2、降低鎖的請(qǐng)求頻率?
3、使用帶有協(xié)調(diào)機(jī)制的獨(dú)占鎖，這些機(jī)制允許更高的并發(fā)性。

在某些情況下我們可以將鎖分解技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展為一組獨(dú)立對(duì)象上的鎖進(jìn)行分解，這成為分段鎖。

其實(shí)說的簡(jiǎn)單一點(diǎn)就是：

容器里有多把鎖，每一把鎖用于鎖容器其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)，那么當(dāng)多線程訪問容器里不同數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)時(shí)，線程間就不會(huì)存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，從而可以有效的提高并發(fā)訪問效率，這就是ConcurrentHashMap所使用的鎖分段技術(shù)，首先將數(shù)據(jù)分成一段一段的存儲(chǔ)，然后給每一段數(shù)據(jù)配一把鎖，當(dāng)一個(gè)線程占用鎖訪問其中一個(gè)段數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他段的數(shù)據(jù)也能被其他線程訪問。

比如：在ConcurrentHashMap中使用了一個(gè)包含16個(gè)鎖的數(shù)組，每個(gè)鎖保護(hù)所有散列桶的1/16，其中第N個(gè)散列桶由第（N mod 16）個(gè)鎖來保護(hù)。假設(shè)使用合理的散列算法使關(guān)鍵字能夠均勻的分部，那么這大約能使對(duì)鎖的請(qǐng)求減少到越來的1/16。也正是這項(xiàng)技術(shù)使得ConcurrentHashMap支持多達(dá)16個(gè)并發(fā)的寫入線程。

偏向鎖 / 輕量級(jí)鎖 / 重量級(jí)鎖

鎖的狀態(tài)：

• 無鎖狀態(tài)
• 偏向鎖狀態(tài)
• 輕量級(jí)鎖狀態(tài)
• 重量級(jí)鎖狀態(tài)

鎖的狀態(tài)是通過對(duì)象監(jiān)視器在對(duì)象頭中的字段來表明的。
四種狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的情況逐漸升級(jí)，而且是不可逆的過程，即不可降級(jí)。
這四種狀態(tài)都不是Java語言中的鎖，而是Jvm為了提高鎖的獲取與釋放效率而做的優(yōu)化(使用synchronized時(shí))。

偏向鎖

• 偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖。降低獲取鎖的代價(jià)。

輕量級(jí)

• 輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。

重量級(jí)鎖

• 重量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。

自旋鎖

我們知道CAS算法是樂觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式，CAS算法中又涉及到自旋鎖，所以這里給大家講一下什么是自旋鎖。

簡(jiǎn)單回顧一下CAS算法

CAS是英文單詞Compare and Swap（比較并交換），是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實(shí)現(xiàn)變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三個(gè)操作數(shù)

• 需要讀寫的內(nèi)存值 V
• 進(jìn)行比較的值 A
• 擬寫入的新值 B

更新一個(gè)變量的時(shí)候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V當(dāng)中的實(shí)際值相同時(shí)，才會(huì)將內(nèi)存地址V對(duì)應(yīng)的值修改為B，否則不會(huì)執(zhí)行任何操作。一般情況下是一個(gè)自旋操作，即不斷的重試。

什么是自旋鎖？

自旋鎖（spinlock）：是指當(dāng)一個(gè)線程在獲取鎖的時(shí)候，如果鎖已經(jīng)被其它線程獲取，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷的判斷鎖是否能夠被成功獲取，直到獲取到鎖才會(huì)退出循環(huán)。

它是為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出一種鎖機(jī)制。其實(shí)，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對(duì)某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對(duì)于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請(qǐng)者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，”自旋”一詞就是因此而得名。

Java如何實(shí)現(xiàn)自旋鎖？

下面是個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

public class SpinLock {private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();// 利用CASwhile (!cas.compareAndSet(null, current)) {// DO nothing}}public void unlock() {Thread current = Thread.currentThread();cas.compareAndSet(current, null);} }

lock（)方法利用的CAS，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程A獲取鎖的時(shí)候，能夠成功獲取到，不會(huì)進(jìn)入while循環(huán)，如果此時(shí)線程A沒有釋放鎖，另一個(gè)線程B又來獲取鎖，此時(shí)由于不滿足CAS，所以就會(huì)進(jìn)入while循環(huán)，不斷判斷是否滿足CAS，直到A線程調(diào)用unlock方法釋放了該鎖。

自旋鎖存在的問題

1、如果某個(gè)線程持有鎖的時(shí)間過長，就會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程進(jìn)入循環(huán)等待，消耗CPU。使用不當(dāng)會(huì)造成CPU使用率極高。
2、上面Java實(shí)現(xiàn)的自旋鎖不是公平的，即無法滿足等待時(shí)間最長的線程優(yōu)先獲取鎖。不公平的鎖就會(huì)存在“線程饑餓”問題。

自旋鎖的優(yōu)點(diǎn)

1、自旋鎖不會(huì)使線程狀態(tài)發(fā)生切換，一直處于用戶態(tài)，即線程一直都是active的；不會(huì)使線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，減少了不必要的上下文切換，執(zhí)行速度快
2、非自旋鎖在獲取不到鎖的時(shí)候會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，從而進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，當(dāng)獲取到鎖的時(shí)候需要從內(nèi)核態(tài)恢復(fù)，需要線程上下文切換。 （線程被阻塞后便進(jìn)入內(nèi)核（Linux）調(diào)度狀態(tài)，這個(gè)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間來回切換，嚴(yán)重影響鎖的性能）

可重入的自旋鎖和不可重入的自旋鎖

文章開始的時(shí)候的那段代碼，仔細(xì)分析一下就可以看出，它是不支持重入的，即當(dāng)一個(gè)線程第一次已經(jīng)獲取到了該鎖，在鎖釋放之前又一次重新獲取該鎖，第二次就不能成功獲取到。由于不滿足CAS，所以第二次獲取會(huì)進(jìn)入while循環(huán)等待，而如果是可重入鎖，第二次也是應(yīng)該能夠成功獲取到的。

而且，即使第二次能夠成功獲取，那么當(dāng)?shù)谝淮吾尫沛i的時(shí)候，第二次獲取到的鎖也會(huì)被釋放，而這是不合理的。

為了實(shí)現(xiàn)可重入鎖，我們需要引入一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來記錄獲取鎖的線程數(shù)。

public class ReentrantSpinLock {private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();private int count;public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();if (current == cas.get()) { // 如果當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了鎖，線程數(shù)增加一，然后返回count++;return;}// 如果沒獲取到鎖，則通過CAS自旋while (!cas.compareAndSet(null, current)) {// DO nothing}}public void unlock() {Thread cur = Thread.currentThread();if (cur == cas.get()) {if (count > 0) {// 如果大于0，表示當(dāng)前線程多次獲取了該鎖，釋放鎖通過count減一來模擬count--;} else {// 如果count==0，可以將鎖釋放，這樣就能保證獲取鎖的次數(shù)與釋放鎖的次數(shù)是一致的了。cas.compareAndSet(cur, null);}}} }

自旋鎖與互斥鎖

• 自旋鎖與互斥鎖都是為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)資源共享的機(jī)制。
• 無論是自旋鎖還是互斥鎖，在任意時(shí)刻，都最多只能有一個(gè)保持者。
• 獲取互斥鎖的線程，如果鎖已經(jīng)被占用，則該線程將進(jìn)入睡眠狀態(tài)；獲取自旋鎖的線程則不會(huì)睡眠，而是一直循環(huán)等待鎖釋放。

自旋鎖總結(jié)

• 自旋鎖：線程獲取鎖的時(shí)候，如果鎖被其他線程持有，則當(dāng)前線程將循環(huán)等待，直到獲取到鎖。
• 自旋鎖等待期間，線程的狀態(tài)不會(huì)改變，線程一直是用戶態(tài)并且是活動(dòng)的(active)。
• 自旋鎖如果持有鎖的時(shí)間太長，則會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程耗盡CPU。
• 自旋鎖本身無法保證公平性，同時(shí)也無法保證可重入性。
• 基于自旋鎖，可以實(shí)現(xiàn)具備公平性和可重入性質(zhì)的鎖。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java 中15种锁的介绍：公平锁，可重入锁，独享锁，互斥锁，乐观锁，分段锁，自旋锁等等的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。