Java核心（三）併發中的線程同步與鎖

樂觀鎖、悲觀鎖、公平鎖、自旋鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖、鎖膨脹...難理解？不存的！來，話不多說，帶你飆車。

上一篇介紹了線程池的使用，在享受線程池帶給我們的性能優勢之外，似乎也帶來了另一個問題：線程安全的問題。

那什麼是線程的安全問題呢？

一、線程安全問題的產生

線程安全問題：指的是在多線程編程中，同時操作同一個可變的資源之後，造成的實際結果與預期結果不一致的問題。

比如：A和B同時向C轉賬10萬元。如果轉賬操作不具有原子性，A在向C轉賬時，讀取了C的餘額爲20萬，然後加上轉賬的10萬，計算出此時應該有30萬，但還未來及將30萬寫回C的賬戶，此時B的轉賬請求過來了，B發現C的餘額爲20萬，然後將其加10萬並寫回。然後A的轉賬操作繼續——將30萬寫回C的餘額。這種情況下C的最終餘額爲30萬，而非預期的40萬。

如果上面的內容您還沒有理解，沒關係，我們來看下面非安全線程的模擬代碼：

public class ThreadSafeSample {
    public int number;
    public void add() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            int former = number++;
            int latter = number;
            if (former != latter-1){
                System.out.printf("非相等 former=" +  former + " latter=" + latter);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadSafeSample threadSafeSample = new ThreadSafeSample();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join();
        threadB.join();
    }
}

我電腦運行的結果： 非相等 => former=5555 latter=6061

可以看到，僅僅是兩個線程的低度併發，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情況。這是因爲，在兩次取值的過程中，其他線程可能已經修改了number.

二、線程安全的解決方案

線程安全的解決方案分爲以下幾個維度（參考《碼出高效：Java開發手冊》）：

• 數據單線程可見（單線程操作自己的數據是不存在線程安全問題的，ThreadLocal就是採用這種解決方案）；
• 數據只讀；
• 使用線程安全類（比如StringBuffer就是一個線程安全類，內部是使用synchronized實現的）；
• 同步與鎖機制；

解決線程安全核心思想是：“要麼只讀，要麼加鎖”，解決線程安全的關鍵在於合理的使用Java提供的線程安全包java.util.concurrent簡稱JUC。

三、線程同步與鎖

Java 5 以前，synchronized是僅有的同步手段，Java 5的時候增加了ReentrantLock（再入鎖）它的語義和synchronized基本相同，比synchronized更加靈活，可以做到更多的細節控制，比如鎖的公平性/非公平性指定。

3.1 synchronized

synchronized 是 Java 內置的同步機制，它提供了互斥的語義和可見性，當一個線程已經獲取當前鎖時，其他試圖獲取的線程只能等待或者阻塞在那裏。

3.1.1 synchronized 使用

synchronized 可以用來修飾方法和代碼塊。

3.1.1.1 修飾代碼塊

synchronized (this) {
    int former = number++;
    int latter = number;
    //...
}

3.1.1.2 修飾方法

public synchronized void add() {
    //...
}

3.1.2 synchronized 底層實現原理

synchronized 是由一對 monitorenter/monitorexit 指令實現的，Monitor 對象是同步的基本實現單元。在 Java 6 之前，Monitor的實現完全是依靠操作系統內部的互斥鎖，因爲需要進行用戶態到內核態的切換，所以同步操作是一個無差別的重量級操作，性能也很低。但在Java 6的時候，JVM 對此進行了大刀闊斧地改進，提供了三種不同的 Monitor 實現，也就是常說的三種不同的鎖：偏向鎖（Biased Locking）、輕量級鎖和重量級鎖，大大改進了其性能。

3.1.2.1 偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

偏向鎖是爲了解決在沒有多線程的訪問下，儘量減少鎖帶來的性能開銷。

輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候，被另一個線程所訪問，偏向鎖就會升級爲輕量級鎖，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。

重量級鎖是指當鎖爲輕量級鎖的時候，另一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續下去，當自旋一定次數的時候，還沒有獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹爲重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的線程進入阻塞，性能降低。

3.1.2.2 鎖膨脹（升級）原理

Java 6 之後優化了 synchronized 實現方式，使用了偏向鎖升級爲輕量級鎖再升級到重量級鎖的方式，減低了鎖帶來的性能消耗，也就是我們常說的鎖膨脹或者叫鎖升級，那麼它是怎麼實現鎖升級的呢？

鎖膨脹（升級）原理： 在鎖對象的對象頭裏面有一個ThreadId字段，在第一次訪問的時候ThreadId爲空，JVM讓其持有偏向鎖，並將ThreadId設置爲其線程id，再次進入的時候會先判斷ThreadId是否尤其線程id一致，如果一致則可以直接使用，如果不一致，則升級偏向鎖爲輕量級鎖，通過自旋循環一定次數來獲取鎖，不會堵塞，執行一定次數之後就會升級爲重量級鎖，進入堵塞，整個過程就是鎖膨脹（升級）的過程。

3.1.2.3 自旋鎖

自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會立即阻塞，而是採用循環的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點是循環會消耗CPU。

3.1.2.4 樂觀鎖/悲觀鎖

悲觀鎖和樂觀鎖並不是某個具體的“鎖”而是一種是併發編程的基本概念。

悲觀鎖認爲對於同一個數據的併發操作，一定是會發生修改的，哪怕沒有修改，也會認爲修改。因此對於同一個數據的併發操作，悲觀鎖採取加鎖的形式。悲觀的認爲，不加鎖的併發操作一定會出問題。

樂觀鎖則與 Java 併發包中的 AtomicFieldUpdater 類似，也是利用 CAS 機制，並不會對數據加鎖，而是通過對比數據的時間戳或者版本號，來實現樂觀鎖需要的版本判斷。

3.1.2.5 公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。

非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序並不是按照申請鎖的順序，有可能後申請的線程比先申請的線程優先獲取鎖。

如果使用 synchronized 使用的是非公平鎖，是不可設置的，這也是主流操作系統線程調度的選擇。通用場景中，公平性未必有想象中的那麼重要，Java 默認的調度策略很少會導致 “飢餓”發生。非公平鎖的吞吐量大於公平鎖。

非公平鎖吞吐量大於公平鎖的原因：

比如A佔用鎖的時候，B請求獲取鎖，發現被A佔用之後，堵塞等待被喚醒，這個時候C同時來獲取A佔用的鎖，如果是公平鎖C後來者發現不可用之後一定排在B之後等待被喚醒，而非公平鎖則可以讓C先用，在B被喚醒之前C已經使用完成，從而節省了C等待和喚醒之間的性能消耗，這就是非公平鎖比公平鎖吞吐量大的原因。

3.2 ReentrantLock

ReentrantLock只能修飾代碼塊，使用ReentrantLock必須手動unlock釋放鎖，不然鎖永遠會被佔用。

3.2.1 ReentrantLock 使用

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); // 設置爲true爲公平鎖，默認是非公平鎖
reentrantLock.lock();
try {

}finally {
    reentrantLock.unlock();
}

3.2.2 ReentrantLock 優勢

• 具備嘗試非阻塞地獲取鎖的特性：當前線程嘗試獲取鎖，如果這一時刻鎖沒有被其他線程獲取到，則成功獲取並持有鎖；
• 能被中斷地獲取鎖的特性：與synchronized不同，獲取到鎖的線程能夠響應中斷，當獲取到鎖的線程被中斷時，中斷異常將會被拋出，同時鎖會被釋放；
• 超時獲取鎖的特性：在指定的時間範圍內獲取鎖；如果截止時間到了仍然無法獲取鎖則返回。

3.2.3 ReentrantLock 注意事項

• 在finally中釋放鎖，目的是保證在獲取鎖之後，最終能夠被釋放；
• 不要將獲取鎖的過程寫在try塊內，因爲如果在獲取鎖時發生了異常，異常拋出的同時，也會導致鎖無故被釋放；
• ReentrantLock提供了一個newCondition的方法，以便用戶在同一鎖的情況下可以根據不同的情況執行等待或喚醒的動作；

3.3 synchronized和ReentrantLock區別

從性能角度，synchronized 早期的實現比較低效，對比 ReentrantLock，大多數場景性能都相差較大。但是在 Java 6 中對其進行了非常多的改進，在高競爭情況下，ReentrantLock 仍然有一定優勢。在大多數情況下，無需太糾結於性能，還是考慮代碼書寫結構的便利性、可維護性等。

主要區別如下：

1. ReentrantLock使用起來比較靈活，但是必須有釋放鎖的配合動作；
2. ReentrantLock必須手動獲取與釋放鎖，而synchronized不需要手動釋放和開啓鎖；
3. ReentrantLock只適用於代碼塊鎖，而synchronized可用於修飾方法、代碼塊等；

參考資料

《碼出高效：Java開發手冊》

Java核心技術36講：http://t.cn/EwUJvWA

Java中的鎖分類：https://www.cnblogs.com/qifen...

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