掌握之并發(fā)編程-3.鎖

掌握高并發(fā)、高可用架構(gòu)

第二課 并發(fā)編程

從本課開(kāi)始學(xué)習(xí)并發(fā)編程的內(nèi)容。主要介紹并發(fā)編程的基礎(chǔ)知識(shí)、鎖、內(nèi)存模型、線程池、各種并發(fā)容器的使用。

第三節(jié) 鎖

并發(fā)編程 并發(fā)基礎(chǔ) 鎖 AQS Synchronized Lock

這小節(jié)咱們來(lái)學(xué)習(xí)并發(fā)編程中鎖的知識(shí)。主要包括關(guān)鍵字synchronized、各種Lock、AQS的原理、以及各自的應(yīng)用。

synchronized

可以修飾方法或者代碼塊

表示多個(gè)線程訪問(wèn)該方法或者代碼塊時(shí)要進(jìn)行排隊(duì)，串行的執(zhí)行該方法或者代碼塊

執(zhí)行效率低，但是它是并發(fā)編程容器的基礎(chǔ)

synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

JAVA對(duì)象頭和Monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)。

1. JAVA對(duì)象頭，對(duì)于Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭主要包含兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段）、Klass Pointer（類(lèi)型指針）

   • Mark Word，用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（Hash Code）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)識(shí)、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等
   • Klass Pointer，是對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例

2. Monitor，是一種同步機(jī)制，即同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程進(jìn)入Monitor的臨界區(qū)，從而達(dá)到互斥的效果。synchronized的對(duì)象鎖，其指針指向的是一個(gè)Monitor對(duì)象的起始地址。每個(gè)對(duì)象實(shí)例都有一個(gè)monitor。由C++實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。

   ```C++
   ObjectMonitor() {
   _count = 0;
   _owner = NULL;
   _waitSet = NULL;
   _waitSetLock = 0;
   _EntryList = NULL;
   }

   
   
   其中，**_owner**指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)，會(huì)把線程存放在鎖的對(duì)象的**_EntryList**中。當(dāng)某個(gè)線程獲得對(duì)象的Monitor時(shí)，就會(huì)把*_owner*的值設(shè)置為當(dāng)前線程，同時(shí)*_count*加1。如果線程調(diào)用**wait()**方法，就會(huì)釋放當(dāng)前持有的Monitor，*_owner*置為null，*_count*減1，并將該線程放入**_waitSet**中。當(dāng)然，如果持有monitor的線程正常執(zhí)行完畢，也會(huì)釋放monitor，*_owner*置為null，*_count*減1。

對(duì)于加在代碼塊上的synchronized，其字節(jié)碼是：一次monitorenter、兩次monitorexit（含有一次編譯器自動(dòng)生成的異常處理的monitorexit）；

對(duì)于加在方法上的synchronized，其字節(jié)碼是：標(biāo)識(shí)方法為ACC_SYNCHRONIZED

新特性

synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖，相較Lock，比較笨重，不高效。在JDK1.6中，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程引入了大量的優(yōu)化，如自旋鎖、自適應(yīng)自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來(lái)減少鎖的開(kāi)銷(xiāo)。

• 自旋鎖，是指當(dāng)一個(gè)線程在獲取鎖的時(shí)候，如果鎖已經(jīng)被其他線程獲取，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷判斷鎖是否能夠成功獲取，直到獲取到鎖才退出循環(huán)。

  優(yōu)點(diǎn)：自旋鎖不會(huì)使線程發(fā)生狀態(tài)切換，而是一直處于活動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)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

  缺點(diǎn)：如果某個(gè)線程持有鎖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致其他等待獲取鎖的線程進(jìn)入循環(huán)等待，消耗CPU。如果使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致CPU使用率極高；不公平的鎖會(huì)導(dǎo)致“線程饑餓”問(wèn)題

• 自適應(yīng)自旋鎖，JDK1.6引入的更聰明的自旋鎖。就是說(shuō)自旋的次數(shù)不是固定的，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的持有者的狀態(tài)決定的。JVM自適應(yīng)的調(diào)整自旋次數(shù)，使能更有效的獲取到鎖，避免浪費(fèi)資源

• 鎖消除，當(dāng)JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，此時(shí)會(huì)對(duì)這些鎖進(jìn)行鎖消除

• 鎖粗化，在使用鎖時(shí)，需要讓同步代碼塊的作用范圍盡可能小。所謂鎖粗化，就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖

• 偏向鎖，是指同一段代碼一直被同一個(gè)線程訪問(wèn)，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取到鎖，從而降低獲取鎖的代價(jià)

• 輕量級(jí)鎖，當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，此時(shí)被另一個(gè)線程訪問(wèn)，偏向鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖。其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞

• 重量級(jí)鎖，當(dāng)鎖是輕量級(jí)鎖時(shí)，另一個(gè)線程雖然在自旋等待獲取鎖，但是自旋不會(huì)一直持續(xù)，當(dāng)自旋一定次數(shù)后，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖也會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他線程進(jìn)入阻塞，性能降低。此時(shí)就成為了原始的synchronized的實(shí)現(xiàn)

鎖的等級(jí)

依次是：無(wú)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)

Lock

Lock是一個(gè)接口，有以下方法。

public interface Lock {
    void lock();
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    void lockInterruptibly();
    Condition newCondition();
}

這里說(shuō)下方法void lockInterruptibly()，一個(gè)線程獲得鎖之后是不可以被interrupt()方法中斷的，是不能中斷正在執(zhí)行中的線程的，只能中斷阻塞過(guò)程中的線程，lockInterruptibly方法允許當(dāng)線程等待獲取鎖的過(guò)程中由其他線程來(lái)中斷等待。

Lock 和 synchronized的區(qū)別與相同點(diǎn)

區(qū)別：

• Lock是一個(gè)接口，synchronized是內(nèi)置關(guān)鍵字；Lock只能在代碼塊中，而synchronized可以在方法上和代碼塊中
• synchronized不管正常退出還是異常退出，都會(huì)自動(dòng)釋放鎖資源，不會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生；Lock需要手動(dòng)加鎖和解鎖，所以如果解鎖操作未執(zhí)行就會(huì)導(dǎo)致死鎖
• Lock可以讓等待鎖的線程響應(yīng)中斷，而synchronized不行，使用synchronized時(shí)，等待的線程會(huì)一直等待下去，不能夠響應(yīng)中斷
• 通過(guò)Lock可以知道有沒(méi)有獲取到鎖，而synchronized無(wú)法知道
• Lock可以選擇公平鎖和非公平鎖，而synchronized只有非公平鎖
• Lock是樂(lè)觀鎖，通過(guò)CAS（compare and swap 比較交換）來(lái)實(shí)現(xiàn)，底層是AbstractQueuedSynchronizer(AQS)，而synchronized是悲觀鎖，是由JVM來(lái)控制的
• Lock的鎖是針對(duì)lock對(duì)象，而synchronized的鎖定對(duì)象是類(lèi)或者指定對(duì)象
• Lock可以提高多個(gè)線程進(jìn)行讀操作的效率

相同點(diǎn)：

• 都是可重入鎖

ReentrantLock

可重入鎖，是Lock接口的唯一實(shí)現(xiàn)類(lèi)。

可重入鎖：是指如果一個(gè)線程獲得了一個(gè)對(duì)象的鎖，那么它不需要再獲取該對(duì)象的鎖而可以直接執(zhí)行方法。也就是鎖的分配機(jī)制是基于線程來(lái)分配的，而不是基于方法調(diào)用的分配。

可中斷鎖：可以響應(yīng)中斷的鎖。只有lockInterruptibly()方法的鎖是可中斷鎖，lock()還是不可中斷的

公平鎖：指盡量以請(qǐng)求鎖的順序來(lái)獲取鎖。比如有多個(gè)線程在等待一個(gè)鎖，當(dāng)鎖被其他線程釋放時(shí)，最先請(qǐng)求鎖的線程會(huì)獲得該鎖

非公平鎖：無(wú)法保證鎖的獲取是按照請(qǐng)求鎖的順序進(jìn)行的?？赡軐?dǎo)致某個(gè)或者一些線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖

對(duì)于ReentrantLock，默認(rèn)是非公平鎖，但可指定為公平鎖。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true)

在ReentrantLock中定義了兩個(gè)內(nèi)部類(lèi)，一個(gè)是NotFairSync，一個(gè)是FairSync。當(dāng)構(gòu)造器參數(shù)為true時(shí)，表示創(chuàng)建公平鎖，參數(shù)為false或者無(wú)參時(shí)，表示非公平鎖。

ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}

一個(gè)用來(lái)獲取讀鎖，一個(gè)用來(lái)獲取寫(xiě)鎖。

ReentrantReadWriteLock

可重入讀寫(xiě)鎖，實(shí)現(xiàn)了ReadWriteLock接口。

多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行讀操作時(shí)，會(huì)使多個(gè)線程交替進(jìn)行，從而提高讀操作的效率。但是，如果有線程占用讀鎖，此時(shí)其他要獲取寫(xiě)鎖的話，就必須等待讀鎖釋放后才可執(zhí)行；如果有線程占用寫(xiě)鎖，此時(shí)其他線程不管是要獲取讀鎖或者寫(xiě)鎖的話，都必須等待寫(xiě)鎖釋放。

Lock的實(shí)現(xiàn)原理

ReentrantLock的FairSync和NotFairSync都繼承了AbstractQueuedSynchronizer，并且真正lock()和unlock()的實(shí)現(xiàn)過(guò)程都是在AQS中。

首先，AQS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：一個(gè)表示鎖狀態(tài)的變量volatile int state，取值范圍是 0 無(wú)鎖、1 有鎖；一個(gè)用于存儲(chǔ)等待獲取鎖的線程的雙向鏈表transient volatile Node head和transient volatile Node tail。

其次，加鎖流程NotFairSync.lock()是：

1. 通過(guò)CAS去嘗試獲取鎖：判斷當(dāng)前state是0的話表示無(wú)鎖，然后把當(dāng)前線程設(shè)置為獨(dú)占執(zhí)行線程，再修改state為1表示有鎖
   

2. 如果第一步獲取鎖失敗，那么執(zhí)行acquire(1)（這是AQS的方法）

主要是三個(gè)方法：

• tryAcquire，再次嘗試通過(guò)CAS獲取一次鎖（子類(lèi)NotFairSync的方法）
  • 判斷state，0則可以獲取到鎖，非0則判斷執(zhí)行線程是否是當(dāng)前線程，如果是，則把重入次數(shù)加1，都不是則設(shè)置獲取鎖失敗

• addWaiter，把當(dāng)前線程放入等待隊(duì)列的雙向鏈表Node中（通過(guò)無(wú)限循環(huán)-自旋，找到鏈表尾，接到尾部）
• acquireQueued，通過(guò)自旋，判斷當(dāng)前線程是否到達(dá)鏈表頭部，當(dāng)?shù)竭_(dá)頭部時(shí)，就嘗試獲取鎖。如果獲取到鎖就把其從頭部移除
  • 在自旋過(guò)程中，通過(guò)shouldParkAfterFailedAcquire判斷當(dāng)前線程的狀態(tài)是Cancelled、Signal等，從而在parkAndCheckInterrupt中對(duì)線程進(jìn)行剔除（Cancelled）、阻塞（Signal）操作

下面借兩張圖（<https://yq.aliyun.com/articles/640868>）

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獲取鎖的流程:

然后，解鎖的流程是調(diào)用NotFairSync.release()，主要是對(duì)重入數(shù)量的調(diào)整。每次釋放鎖都只會(huì)對(duì)數(shù)量減1，直到state為0時(shí)表示鎖釋放完成。

Lock和synchronized的選擇

根據(jù)CAS的特性，建議在低鎖沖突的情況下使用Lock

在JDK1.6后，官方對(duì)synchronized做了大量的優(yōu)化（偏向鎖、自旋、輕量級(jí)鎖等），因此在非必要的情況下，建議都使用synchronized做同步操作