Java中15種鎖的介紹

這篇文章主要介紹“Java中15種鎖的介紹”，在日常操作中，相信很多人在Java中15種鎖的介紹問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Java中15種鎖的介紹”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

Java 中15種鎖的介紹

在讀很多并發(fā)文章中，會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 / 輕量級鎖 / 重量級鎖

• 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，下面總結(jié)的內(nèi)容是對每個鎖的名詞進行一定的解釋。

公平鎖 / 非公平鎖

公平鎖

• 公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。

非公平鎖

• 非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序并不是按照申請鎖的順序，有可能后申請的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖。有可能，會造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。

對于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)點在于吞吐量比公平鎖大。 對于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（前提得是同一個對象或者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可重入鎖的一個特點，如果不是可重入鎖的話，setB可能不會被當(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?？吹揭粋€經(jīng)典的講解，使用自旋鎖來模擬一個不可重入鎖，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)用自旋的時候就會產(chǎn)生死鎖，這個鎖就不是可重入的，而實際上同一個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)前對象，采用state計數(shù)，不用每次去釋放鎖。

ReentrantLock中可重入鎖實現(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) // overflow
			throw new Error("Maximum lock count exceeded");
		setState(nextc);
		return true;
	}
	return false;
}

在AQS中維護了一個private volatile int state來計數(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。

獨享鎖 / 共享鎖

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

• 獨享鎖：該鎖每一次只能被一個線程所持有。

• 共享鎖：該鎖可被多個線程共有，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。

獨享鎖與共享鎖也是通過AQS來實現(xiàn)的，通過實現(xiàn)不同的方法，來實現(xiàn)獨享或者共享。 對于Synchronized而言，當(dāng)然是獨享鎖。

互斥鎖 / 讀寫鎖

互斥鎖

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

如果解鎖時有一個以上的線程阻塞，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進入等待。 在這種方式下，只有一個線程能夠訪問被互斥鎖保護的資源

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中的具體實現(xiàn)就是ReadWriteLock

一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可以同時占有讀模式的讀寫鎖。 只有一個線程可以占有寫狀態(tài)的鎖，但可以有多個線程同時占有讀狀態(tài)鎖，這也是它可以實現(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，便會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)的時候都認(rèn)為別人會修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數(shù)據(jù)就會阻塞直到它拿到鎖（共享資源每次只給一個線程使用，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等獨占鎖就是悲觀鎖思想的實現(xiàn)。

樂觀鎖

總是假設(shè)最好的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人不會修改，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數(shù)據(jù)，可以使用版本號機制和CAS算法實現(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機制，其實都是提供的樂觀鎖。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現(xiàn)方式CAS實現(xiàn)的。

分段鎖

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

并發(fā)容器類的加鎖機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，串行操作是會降低可伸縮性，并且上下文切換也會減低性能。在鎖上發(fā)生競爭時將通水導(dǎo)致這兩種問題，使用獨占鎖時保護受限資源的時候，基本上是采用串行方式—-每次只能有一個線程能訪問它。所以對于可伸縮性來說最大的威脅就是獨占鎖。

我們一般有三種方式降低鎖的競爭程度： 1、減少鎖的持有時間 2、降低鎖的請求頻率 3、使用帶有協(xié)調(diào)機制的獨占鎖，這些機制允許更高的并發(fā)性。

在某些情況下我們可以將鎖分解技術(shù)進一步擴展為一組獨立對象上的鎖進行分解，這成為分段鎖。

其實說的簡單一點就是：

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，線程間就不會存在鎖競爭，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，然后給每一段數(shù)據(jù)配一把鎖，當(dāng)一個線程占用鎖訪問其中一個段數(shù)據(jù)的時候，其他段的數(shù)據(jù)也能被其他線程訪問。

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

偏向鎖 / 輕量級鎖 / 重量級鎖

鎖的狀態(tài)：

• 無鎖狀態(tài)

• 偏向鎖狀態(tài)

• 輕量級鎖狀態(tài)

• 重量級鎖狀態(tài)

鎖的狀態(tài)是通過對象監(jiān)視器在對象頭中的字段來表明的。 四種狀態(tài)會隨著競爭的情況逐漸升級，而且是不可逆的過程，即不可降級。 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)。

偏向鎖

• 偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那么該線程會自動獲取鎖。降低獲取鎖的代價。

輕量級

• 輕量級鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時候，被另一個線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提高性能。

重量級鎖

• 重量級鎖是指當(dāng)鎖為輕量級鎖的時候，另一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時候，還沒有獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的線程進入阻塞，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算法涉及到三個操作數(shù)

• 需要讀寫的內(nèi)存值 V

• 進行比較的值 A

• 擬寫入的新值 B

更新一個變量的時候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V當(dāng)中的實際值相同時，才會將內(nèi)存地址V對應(yīng)的值修改為B，否則不會執(zhí)行任何操作。一般情況下是一個自旋操作，即不斷的重試。

什么是自旋鎖？

自旋鎖（spinlock）：是指當(dāng)一個線程在獲取鎖的時候，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，直到獲取到鎖才會退出循環(huán)。

它是為實現(xiàn)保護共享資源而提出一種鎖機制。其實，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對某項資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多只能有一個保持者，也就說，在任何時刻最多只能有一個執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機制上略有不同。對于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請者只能進入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會引起調(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如何實現(xiàn)自旋鎖？

下面是個簡單的例子：

public class SpinLock {
 private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
 public void lock() {
 Thread current = Thread.currentThread();
 // 利用CAS
 while (!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€線程A獲取鎖的時候，能夠成功獲取到，不會進入while循環(huán)，如果此時線程A沒有釋放鎖，另一個線程B又來獲取鎖，此時由于不滿足CAS，所以就會進入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、如果某個線程持有鎖的時間過長，就會導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程進入循環(huán)等待，消耗CPU。使用不當(dāng)會造成CPU使用率極高。 2、上面Java實現(xiàn)的自旋鎖不是公平的，即無法滿足等待時間最長的線程優(yōu)先獲取鎖。不公平的鎖就會存在“線程饑餓”問題。

自旋鎖的優(yōu)點

1、自旋鎖不會使線程狀態(tài)發(fā)生切換，一直處于用戶態(tài)，即線程一直都是active的；不會使線程進入阻塞狀態(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候會進入阻塞狀態(tài)，從而進入內(nèi)核態(tài)，當(dāng)獲取到鎖的時候需要從內(nèi)核態(tài)恢復(fù)，需要線程上下文切換。 （線程被阻塞后便進入內(nèi)核（Linux）調(diào)度狀態(tài)，這個會導(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，所以第二次獲取會進入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的時候，第二次獲取到的鎖也會被釋放，而這是不合理的。

為了實現(xiàn)可重入鎖，我們需要引入一個計數(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現(xiàn)保護資源共享的機制。

• 無論是自旋鎖還是互斥鎖，在任意時刻，都最多只能有一個保持者。

• 獲取互斥鎖的線程，如果鎖已經(jīng)被占用，則該線程將進入睡眠狀態(tài)；獲取自旋鎖的線程則不會睡眠，而是一直循環(huán)等待鎖釋放。

• 這里推薦一下我的Java后端技術(shù)群：834962734 ，群里有（分布式架構(gòu)、高可擴展、高性能、高并發(fā)、性能優(yōu)化、Spring boot、Redis、ActiveMQ、等學(xué)習(xí)資源）進群免費送給每一位Java小伙伴，不管你是轉(zhuǎn)行，還是工作中想提升自己能力都可以，歡迎進群一起深入交流學(xué)習(xí)！

自旋鎖總結(jié)

• 自旋鎖：線程獲取鎖的時候，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)不會改變，線程一直是用戶態(tài)并且是活動的(active)。

• 自旋鎖如果持有鎖的時間太長，則會導(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，同時也無法保證可重入性。

• 基于自旋鎖，可以實現(xiàn)具備公平性和可重入性質(zhì)的鎖。

到此，關(guān)于“Java中15種鎖的介紹”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>