java中鎖的介紹及運用

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1.悲觀鎖和樂觀鎖

對於同一個數據的併發操作,悲觀鎖認爲自己在使用數據的時候一定有別的線程來修改數據,因此在獲取數據的時候會先加鎖,確保數據不會被別的線程修改。Java中,synchronized關鍵字和Lock的實現類都是悲觀鎖

樂觀鎖認爲自己在使用數據時不會有別的線程修改數據,所以不會添加鎖,只是在更新數據的時候去判斷之前有沒有別的線程更新了這個數據。如果這個數據沒有被更新,當前線程將自己修改的數據成功寫入。如果數據已經被其他線程更新,則根據不同的實現方式執行不同的操作(例如報錯或者自動重試)。

樂觀鎖在Java中是通過使用無鎖編程來實現,最常採用的是CAS算法,Java原子類中的遞增操作就通過CAS自旋實現的

使用場景:

悲觀鎖適合寫操作多的場景,先加鎖可以保證寫操作時數據正確

樂觀鎖適合讀操作多的場景,不加鎖的特點能夠使其讀操作的性能大幅提升

通過調用方式示例,我們可以發現悲觀鎖基本都是在顯式的鎖定之後再操作同步資源,而樂觀鎖則直接去操作同步資源

 

2.自旋鎖和適應性自旋鎖

阻塞或喚醒一個Java線程需要操作系統切換CPU狀態來完成,這種狀態轉換需要耗費處理器時間。如果同步代碼塊中的內容過於簡單,狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長。

在許多場景中,同步資源的鎖定時間很短,爲了這一小段時間去切換線程,線程掛起和恢復現場的花費可能會讓系統得不償失。如果物理機器有多個處理器,能夠讓兩個或以上的線程同時並行執行,我們就可以讓後面那個請求鎖的線程不放棄CPU的執行時間,看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。

而爲了讓當前線程“稍等一下”,我們需讓當前線程進行自旋,如果在自旋完成後前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖,那麼當前線程就可以不必阻塞而是直接獲取同步資源,從而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖

自旋鎖本身是有缺點的,它不能代替阻塞。自旋等待雖然避免了線程切換的開銷,但它要佔用處理器時間。如果鎖被佔用的時間很短,自旋等待的效果就會非常好。反之,如果鎖被佔用的時間很長,那麼自旋的線程只會白浪費處理器資源。所以,自旋等待的時間必須要有一定的限度,如果自旋超過了限定次數(默認是10次,可以使用-XX:PreBlockSpin來更改)沒有成功獲得鎖,就應當掛起線程。

自旋鎖的實現原理同樣也是CAS,AtomicInteger中調用unsafe進行自增操作的源碼中的do-while循環就是一個自旋操作,如果修改數值失敗則通過循環來執行自旋,直至修改成功

自適應意味着自旋的時間(次數)不再固定,而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖對象上,自旋等待剛剛成功獲得過鎖,並且持有鎖的線程正在運行中,那麼虛擬機就會認爲這次自旋也是很有可能再次成功,進而它將允許自旋等待持續相對更長的時間。如果對於某個鎖,自旋很少成功獲得過,那在以後嘗試獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程,直接阻塞線程,避免浪費處理器資源。

在自旋鎖中 另有三種常見的鎖形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock

 

3.無鎖 VS 偏向鎖 VS 輕量級鎖 VS 重量級鎖

這四種鎖是指鎖的狀態,專門針對synchronized的

無鎖:無鎖沒有對資源進行鎖定,所有的線程都能訪問並修改同一個資源,但同時只有一個線程能修改成功

無鎖的特點就是修改操作在循環內進行,線程會不斷的嘗試修改共享資源。如果沒有衝突就修改成功並退出,否則就會繼續循環嘗試。如果有多個線程修改同一個值,必定會有一個線程能修改成功,而其他修改失敗的線程會不斷重試直到修改成功。。無鎖無法全面代替有鎖,但無鎖在某些場合下的性能是非常高的

偏向鎖:指一段同步代碼一直被一個線程所訪問,那麼該線程會自動獲取鎖,降低獲取鎖的代價

輕量級鎖:指當鎖是偏向鎖的時候,被另外的線程所訪問,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,從而提高性能

重量級鎖:若當前只有一個等待線程,則該線程通過自旋進行等待。但是當自旋超過一定的次數,或者一個線程在持有鎖,一個在自旋,又有第三個來訪時,輕量級鎖升級爲重量級鎖

 

4.公平鎖和非公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖,線程直接進入隊列中排隊,隊列中的第一個線程才能獲得鎖。公平鎖的優點是等待鎖的線程不會餓死。缺點是整體吞吐效率相對非公平鎖要低,等待隊列中除第一個線程以外的所有線程都會阻塞,CPU喚醒阻塞線程的開銷比非公平鎖大

非公平鎖是多個線程加鎖時直接嘗試獲取鎖,獲取不到纔會到等待隊列的隊尾等待。但如果此時鎖剛好可用,那麼這個線程可以無需阻塞直接獲取到鎖,所以非公平鎖有可能出現後申請鎖的線程先獲取鎖的場景。非公平鎖的優點是可以減少喚起線程的開銷,整體的吞吐效率高,因爲線程有機率不阻塞直接獲得鎖,CPU不必喚醒所有線程。缺點是處於等待隊列中的線程可能會餓死,或者等很久纔會獲得鎖

 

5.可重入鎖 和非可重入鎖

可重入鎖又名遞歸鎖,是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候,再進入該線程的內層方法會自動獲取鎖(前提鎖對象得是同一個對象或者class),不會因爲之前已經獲取過還沒釋放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖,可重入鎖的一個優點是可一定程度避免死鎖

 

6.獨享鎖 和 共享鎖

獨享鎖也叫排他鎖,是指該鎖一次只能被一個線程所持有。如果線程T對數據A加上排它鎖後,則其他線程不能再對A加任何類型的鎖。獲得排它鎖的線程即能讀數據又能修改數據

共享鎖是指該鎖可被多個線程所持有。如果線程T對數據A加上共享鎖後,則其他線程只能對A再加共享鎖,不能加排它鎖。獲得共享鎖的線程只能讀數據,不能修改數據

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