并发专题之锁的深入化

本文主要是介绍并发专题之锁的深入化，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

1. 重入锁

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。
在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

public class Test implements Runnable {public  synchronized void get() {System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");set();}public synchronized  void set() {System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");}@Overridepublic void run() {get();}public static void main(String[] args) {Test ss = new Test();new Thread(ss).start();new Thread(ss).start();new Thread(ss).start();new Thread(ss).start();}
}

public class Test02 extends Thread {ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void get() {lock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getId());set();lock.unlock();}public void set() {lock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getId());lock.unlock();}@Overridepublic void run() {get();}public static void main(String[] args) {Test ss = new Test();new Thread(ss).start();new Thread(ss).start();new Thread(ss).start();}}

可以看到get()方法中的set()方法重用了get（）的锁，否则就会造成死锁问题

2. 读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

public class Cache {static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();static Lock r = rwl.readLock();static Lock w = rwl.writeLock();// 获取一个key对应的valuepublic static final Object get(String key) {r.lock();try {System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");Thread.sleep(100);Object object = map.get(key);System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");System.out.println();return object;} catch (InterruptedException e) {} finally {r.unlock();}return key;}// 设置key对应的value，并返回旧有的valuepublic static final Object put(String key, Object value) {w.lock();try {System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");Thread.sleep(100);Object object = map.put(key, value);System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");System.out.println();return object;} catch (InterruptedException e) {} finally {w.unlock();}return value;}// 清空所有的内容public static final void clear() {w.lock();try {map.clear();} finally {w.unlock();}}public static void main(String[] args) {new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {Cache.put(i + "", i + "");}}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10; i++) {Cache.get(i + "");}}}).start();}
}

分析运行结果可以发现，加锁后的输出结果写操作结束前是不会进行读操作的，同样读操做结束前不会进行写操作

3. 悲观锁、乐观锁

3.1 乐观锁

总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。
核心SQL语句

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};    

CAS操作方式：即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

3.2 悲观锁

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

4. 自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。如下

public class Test implements Runnable {static int sum;private SpinLock lock;public Test(SpinLock lock) {this.lock = lock;}/*** @param args* @throws InterruptedException*/public static void main(String[] args) throws InterruptedException {SpinLock lock = new SpinLock();for (int i = 0; i < 100; i++) {Test test = new Test(lock);Thread t = new Thread(test);t.start();}Thread.currentThread().sleep(1000);System.out.println(sum);}@Overridepublic void run() {this.lock.lock();this.lock.lock();sum++;this.lock.unlock();this.lock.unlock();}}

当一个线程 调用这个不可重入的自旋锁去加锁的时候没问题，当再次调用lock()的时候，因为自旋锁的持有引用已经不为空了，该线程对象会误认为是别人的线程持有了自旋锁
使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。
当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。
由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

自旋锁与互斥锁的区别

互斥锁：属于悲观锁，线程从sleep(加锁，同步阻塞状态)------》running状态，过程中有上下文的切换，CPU的抢占，信号的发送等开销

自旋锁 ：属于乐观锁 ,线程一直是running （加锁）----->解锁

5. 公平锁和非公平锁

公平和非公平锁的队列都基于锁内部维护的一个双向链表，表节点的node值就是每一个请求当前锁的线程。公平锁在于每次都从队首取值。
锁的实现方式基于以下几点：
表节点Node和状态State的volatile关键字，CAS原子操作。

非公平锁：
在等待过程中，如果有任意新的线程妄图获取锁，都是有很大几率获取到锁的。

总结起来就是：公平锁是先到先得，按序进行，非公平锁就是不排队直接拿，失败在说。

6. 原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程
原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

6.1 为什么会有原子类

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference

6.2 CAS无锁模式

什么是CAS：
CAS：Compare and Swap，即比较再交换。
jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

6.3 CAS算法理解

（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

（2）无锁的好处：

第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
第二，它天生就是死锁免疫的。

就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量（存在于主内存中），E表示预期值（存在于本地内存中），N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。

（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。

（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

6.4 常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference

public class Test0001 implements Runnable {private static Integer count = 1;private static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();@Overridepublic void run() {while (true) {int count = getCountAtomic();System.out.println(count);if (count >= 150) {break;}}}public synchronized Integer getCount() {try {Thread.sleep(50);} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}return count++;}public Integer getCountAtomic() {try {Thread.sleep(50);} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}return atomic.incrementAndGet();}public static void main(String[] args) {Test0001 test0001 = new Test0001();Thread t1 = new Thread(test0001);Thread t2 = new Thread(test0001);t1.start();t2.start();}}

6.3 CAS 乐观锁算法

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{   备份旧数据；  基于旧数据构造新数据；  
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))  

（上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。）
就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

//jdk1.8版本 其中预期值和需要更改的值会进行比较，如果不一样将会一直进行循环比较，其实就是自旋锁 
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset);} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));return v;}/** * Atomically increments by one the current value. * * @return the updated value */  public final int incrementAndGet() {  for (;;) {  //获取当前值  int current = get();  //设置期望值  int next = current + 1;  //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  if (compareAndSet(current, next))  //成功后才会返回期望值，否则无线循环  return next;  }  }  

6.5 CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

7. 分布式锁

如果想在不同的jvm中保证数据同步，使用分布式锁技术。
有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁

这篇关于并发专题之锁的深入化的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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