Java中锁的解决方案
前言
在上一篇文章中，介紹了什么是鎖，以及鎖的使用場景，本文繼續給大家繼續做深入的介紹，介紹JAVA為我們提供的不同種類的鎖。
JAVA為我們提供了種類豐富的鎖，每種鎖都有不同的特性，鎖的使用場景也各不相同。由于篇幅有限，在這里只給大家介紹比較常用的幾種鎖。我會通過鎖的定義，核心代碼剖析，以及使用場景來給大家介紹JAVA中主流的幾種鎖。
樂觀鎖 與 悲觀鎖
樂觀鎖與悲觀鎖應該是每個開發人員最先接觸的兩種鎖。小編最早接觸的就是這兩種鎖，但是不是在JAVA中接觸的，而是在數據庫當中。當時的應用場景主要是在更新數據的時候，更新數據這個場景也是使用鎖的非常主要的場景之一。更新數據的主要流程如下:
- 檢索出要更新的數據，供操作人員查看;
- 操作人員更改需要修改的數值;
- 點擊保存，更新數據;
這個流程看似簡單，但是我們用多線程的思維去考慮，這也應該算是一種互聯網思維吧，就會發現其中隱藏著問題。我們具體看一下
- A檢索出數據;
- B檢索出數據;
- B修改了數據;
- A修改數據，系統會修改成功嗎?
當然啦，A修改成功與否，要看程序怎么寫。咱們拋開程序，從常理考慮，A保存數據的時候，系統要給提示，說“您修改的數據已被其他人修改過，請重新查詢確認”。那么我們程序中怎么實現呢?
- 在檢索數據，將數據的版本號(version)或者最后更新時間一并檢索出來;
- 操作員更改數據以后，點擊保存，在數據庫執行update操作
- 執行update操作時，用步驟1檢索出的版本號或者最后更新時間與數據庫中的記錄作比較;
- 如果版本號或最后更新時間一致，則可以更新;
- 如果不一致，就要給出上面的提示;
上述的流程就是樂觀鎖的實現方式。在JAVA中樂觀鎖并沒有確定的方法，或者關鍵字，它只是一個處理的流程、策略。咱們看懂上面的例子之后，再來看看JAVA中樂觀鎖。
樂觀鎖呢，它是假設一個線程在取數據的時候不會被其他線程更改數據，就像上面的例子那樣，但是在更新數據的時候會校驗數據有沒有被修改過。它是一種比較交換的機制，簡稱CAS (Compare And Swap)機制。一旦檢測到有沖突產生，也就是上面說到的版本號或者最后更新時間不一致，它就會進行重試，直到沒有沖突為止。樂觀鎖的機制如圖所示:
咱們看一下JAVA中最常用的i++，咱們思考一個問題，i++它的執行順序是什么樣子的?它是線程安全的嗎?當多個線程并發執行i++的時候，會不會有問題?接下來咱們通過程序看一下:
package cn.pottercoding.lock;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* @author 程序員波特
* @since 2024年01月12日
*
* i++ 線程安全問題測試
*/
public class ThreadTest {
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
ThreadTest test = new ThreadTest();
// 線程池，50個固定線程
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(50);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5000);
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
executorService.execute(() -> {
test.i++;
countDownLatch.countDown();
});
}
executorService.shutdown();
try {
countDownLatch.await();
System.out.println("執行完成后，i = " + test.i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
上面的程序中，我們模擬了50個線程同時執行i++，總共執行5000次，按照常規的理解，得到的結果應該是5000，我們運行一下程序，看看執行的結果如何?
執行完成后，i=4975
執行完成后，i=4986
執行完成后，i=4971
這是運行3次以后得到的結果，可以看到每次執行的結果都不一樣，而且不是5000，這是為什么呢?這就說明i++并不是一個原子性的操作，在多線程的情況下并不安全。我們把i++的詳細執行步驟拆解一下:
- 從內存中取出i的當前值;
- 將i的值加1;
- 將計算好的值放入到內存當中;
這個流程和我們上面講解的數據庫的操作流程是一樣的。在多線程的場景下，我們可以想象一下，線程A和線程B同時從內存取出的值，假如i的值是1000，然后線程A和線程B再同時執行+1的操作,然后把值再放入內存當中，這時，內存中的值是1001，而我們期望的是1002，正是這個原因導致了上面的錯誤。那么我們如何解決呢?在JAVA1.5以后，JDK官方提供了大量的原子類，這些類的內部都是基于CAS機制的，也就是使用了樂觀鎖。我們將上面的程序稍微改造一下，如下:
package cn.pottercoding.lock;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* @author 程序員波特
* @since 2024年01月12日
*
* 原子類測試
*/
public class AtomicTest {
private AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
AtomicTest test = new AtomicTest();
// 線程池，50個固定線程
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(50);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5000);
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
executorService.execute(() -> {
test.i.incrementAndGet();
countDownLatch.countDown();
});
}
executorService.shutdown();
try {
countDownLatch.await();
System.out.println("執行完成后，i = " + test.i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
我們將變量的類型改為AtomicInteger ，AtomicInteger 是一個原子類。我們在之前調用i++的地方改成了i.incrementAndGet()，incrementAndGet()方法采用了CAS機制，也就是說使用了樂觀鎖。我們再運行一下程序，看看結果如何。
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
我們同樣執行了3次，3次的結果都是5000，符合了我們預期。這個就是樂觀鎖。我們對樂觀鎖稍加總結，樂觀鎖在讀取數據的時候不做任何限制，而是在更新數據的時候，進行數據的比較，保證數據的版本一致時再更新數據。根據它的這個特點，可以看出樂觀鎖適用于讀操作多，而寫操作少的場景。
悲觀鎖與樂觀鎖恰恰相反，悲觀鎖從讀取數據的時候就顯示的加鎖，直到數據更新完成，釋放鎖為止。在這期間只能有一個線程去操作，其他的線程只能等待。在JAVA中，悲觀鎖可以使用synchronized關鍵字或者ReentrantLock類來實現。還是，上面的例子，我們分別使用這兩種方式來實現一下。首先是使用synchronized關鍵字來實現:
package cn.pottercoding.lock;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* @author 程序員波特
* @since 2024年01月12日
*
* 使用 synchronized 關鍵字來實現自增
*/
public class SynchronizedTest {
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
// 線程池，50個固定線程
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(50);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5000);
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
executorService.execute(() -> {
// 修改部分，開始
synchronized (test) {
test.i++;
}
// 修改部分結束
countDownLatch.countDown();
});
}
executorService.shutdown();
try {
countDownLatch.await();
System.out.println("執行完成后，i = " + test.i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
我們唯一的改動就是增加了synchronized塊，它鎖住的對象是test，在所有線程中，誰獲得了test對象的鎖，誰才能執行i++操作。我們使用了synchronized悲觀鎖的方式，使得i++線程安全我們運行一下，看看結果如何。
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
我們運行3次，結果都是5000，符合預期。接下來，我們再使用Reent rantLock類來實現悲觀鎖。代碼如下:
package cn.pottercoding.lock;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* @author 程序員波特
* @since 2024年01月12日
*/
public class LockTest {
private int i = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
LockTest test = new LockTest();
// 線程池，50個固定線程
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(50);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5000);
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
executorService.execute(() -> {
// 修改部分，開始
test.lock.lock();
test.i++;
test.lock.unlock();
// 修改部分結束
countDownLatch.countDown();
});
}
executorService.shutdown();
try {
countDownLatch.await();
System.out.println("執行完成后，i = " + test.i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
我們在類中顯示的增加了 Lock lock= new ReentrantLock();，而且在i++之前增加了 lock.lock(),加鎖操作，在i++之后增加了lock.unlock()釋放鎖的操作。我們同樣運行3次，看看結果。
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
執行完成后，i=5000
3次運行結果都是5000，完全符合預期。我們再來總結一下悲觀鎖，悲觀鎖從讀取數據的時候就加了鎖，而且在更新數據的時候，保證只有一個線程在執行更新操作，沒有像樂觀鎖那樣進行數據版本的比較。所以悲觀鎖適用于讀相對少，寫相對多的操作。
公平鎖與非公平鎖
前面我們介紹了樂觀鎖與悲觀鎖，這一小節我們將從另外一個維度去講解鎖一公平鎖與非公平鎖。從名字不難看出，公平鎖在多線程情況下，對待每一個線程都是公平的;而非公平鎖恰好與之相反。從字面上理解還是有些晦澀難懂，我們還是舉例說明，場景還是去超市買東西，在儲物柜存儲東西的例子。儲物柜只有一個，同時來了3個人使用儲物柜，這時A先搶到了柜子，A去使用，B和C自覺進行排隊。A使用完以后，后面排隊中的第一個人將繼續使用柜子，這就是公平鎖。在公平鎖當中，所有的線程都自覺排隊，一個線程執行完以后，排在后面的線程繼續使用。
非公平鎖則不然，A在使用柜子的時候，B和C并不會排隊，A使用完以后，將柜子的鑰匙往后一拋，B和C誰搶到了誰用，甚至可能突然跑來一個D，這個D搶到了鑰匙，那么D將使用柜子，這個就是非公平鎖。
公平鎖如圖所示:
多個線程同時執行方法，線程A搶到了鎖，A可以執行方法。其他線程則在隊列里進行排隊，A執行完方法后，會從隊列里取出下一個線程B，再去執行方法。以此類推，對于每一個線程來說都是公平的，不會存在后加入的線程先執行的情況。
非公平鎖入下圖所示:
多個線程同時執行方法，線程A搶到了鎖，A可以執行方法。其他的線程并沒有排隊，A執行完方法，釋放鎖后，其他的線程誰搶到了鎖，誰去執行方法。會存在后加入的線程，反而先搶到鎖的情況。
公平鎖與非公平鎖都在ReentrantLock類里給出了實現，我們看一下 ReentrantLock的源碼。
ReentrantLock有兩個構造方法，默認的構造方法中，sync=new NonfairSync();我們可以從字面意思看出它是一個非公平鎖。再看看第二個構造方法，它需要傳入一個參數，參數是一個布爾型true 是公平鎖，false 是非公平鎖。從上面的源碼我們可以看出sync 有兩個實現類，分別是FairSync 和NonfairSync，我們再看看獲取鎖的核心方法，首先是公平鎖FairSync 的，
然后是非公平鎖NonfairSync的，
通過對比兩個方法，我們可以看出唯一的不同之處在于!hasQueuedPredecessors()這個方法，很明顯這個方法是一個隊列，由此可以推斷，公平鎖是將所有的線程放在一個隊列中，一個線程執行完成后，從隊列中取出下一個線程，而非公平鎖則沒有這個隊列。這些都是公平鎖與非公平鎖底層的實現原理，我們在使用的時候不用追到這么深層次的代碼，只需要了解公平鎖與非公平鎖的含義，并且在調用構造方法時，傳入 true和 false即可。
總結
JAVA中鎖的種類非常多，在這一節中，我們找了非常典型的幾個鎖的類型給大家做了介紹。樂觀鎖與悲觀鎖是最基礎的，也是大家必須掌握的。大家在工作中不可避免的都要使用到樂觀鎖和悲觀鎖。從公平鎖與非公平鎖這個維度上看，大家平時使用的都是非公平鎖，這也是默認的鎖的類型。如果要使用公平鎖，大家可以在秒殺的場景下使用，在秒殺的場景下，是遵循先到先得的原則，是需要排隊的，所以這種場景下是最適合使用公平鎖的。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java中锁的解决方案的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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