betway必威-betway必威官方网站
做最好的网站

锁概念与锁优化,Java中的锁分类与使用

为了性能与使用的场景,Java实现锁的方式有非常多。而关于锁主要的实现包含synchronized关键字AQS框架下的锁,其中的实现都离不开以下的策略。

1. Java锁的种类

  在笔者面试过程时,经常会被问到各种各样的锁,如乐观锁、读写锁等等,非常繁多,在此做一个总结。介绍的内容如下:

  • 乐观锁/悲观锁
  • 独享锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 可重入锁
  • 公平锁/非公平锁
  • 分段锁
  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
  • 自旋锁

  以上是一些锁的名词,这些分类并不是全是指锁的状态,有的指锁的特性,有的指锁的设计,下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

JAVA中锁的分类

公平锁/非公平锁
可重入锁
独享锁/共享锁
互斥锁/读写锁
乐观锁/悲观锁
分段锁
偏向锁/轻量级锁/重量级锁
自旋锁
上面是很多锁的名词,这些分类并不是全是指锁的状态,有的指锁的特性,有的指锁的设计,下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

悲观锁与乐观锁

  • 乐观锁。乐观的想法,认为并发读多写少。每次操作的时候都不上锁,直到更新的时候才通过CAS判断更新。对于AQS框架下的锁,初始就是乐观锁,若CAS失败则转化为悲观锁。
  • 悲观锁。悲观的想法,认为并发写多读少。每次操作数据都上锁,即使别人想读也要先获得锁才能读。对于1.6以前的synchronized关键字,则是悲观锁的实现之一。

1.1 乐观锁/悲观锁

  乐观锁与悲观锁并不是特指某两种类型的锁,是人们定义出来的概念或思想,主要是指看待并发同步的角度。

  乐观锁:顾名思义,就是很乐观,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量,在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS(Compare and Swap 比较并交换)实现的。

  悲观锁:总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁。

  悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升。

  悲观锁在Java中的使用,就是利用各种锁。

  乐观锁在Java中的使用,是无锁编程,常常采用的是CAS算法,典型的例子就是原子类,通过CAS自旋实现原子操作的更新。

公平锁/非公平锁

公平锁 多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能,会造成优先级反转或者饥饿现象。
对于Java ReentrantLock而言,通过构造函数指定该锁是否是公平锁,默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
对于Synchronized而言,也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS(AbstractQueueSynchronized)的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

CAS无锁算法

全称为 Compare and Swap。CAS有三个操作数,内存值V,旧预期值A,修改新值B。当且仅当V与A的值相同,才能把V替换为B。其中Java中内存值可以通过volatile关键字标识获取,该关键词可以使变量对所有线程实时可见。

CAS算法在锁的应用非常广泛,java中concurrent包的高性能都是基于这个算法,可以说没有CAS,并发包的高性能也就不存在了。

1.1.1 乐观锁

  乐观锁总是认为不存在并发问题,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“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。

可重入锁

可重入锁又名递归锁,是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候,在进入内层方法会自动获取锁。说的有点抽象,下面会有一个代码的示例。
对于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁,其名字是Re entrant Lock重新进入锁。
对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点,如果不是可重入锁的话,setB可能不会被当前线程执行,可能造成死锁。

重量级锁

悲观锁的一种。互斥使代码执行可以同步,但这种方式成本比较高,涉及到操作系统的调用阻塞,会造成一些系统资源的浪费。1.6以前,在Java中的即是监视器锁,把.java文件编程成.class文件后能看到synchronized关键字就是通过monitorenter和monitorexit这个两个字节码指令来实现的。

数据版本机制

  实现数据版本一般有两种,第一种是使用版本号,第二种是使用时间戳。以版本号方式为例。

  版本号方式: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代码:

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

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。
对于Java ReentrantLock而言,其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。
读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的,读写,写读 ,写写的过程是互斥的。
独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。
对于Synchronized而言,当然是独享锁。

轻量级锁

由于在没有很多线程竞争的前提下,重量级锁会导致性能资源的浪费。每次判断是否无锁,无锁则建锁记录,有锁通过CAS去尝试获取锁(对比Mark Word)。该过程失败会让锁膨胀为重量级锁。

CAS操作

  CAS(Compare and Swap 比较并交换),当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。

  CAS操作中包含三个操作数——需要读写的内存位置、进行比较的预期原值和拟写入的新值。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值B,否则处理器不做任何操作。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法,互斥锁/读写锁就是具体的实现。
互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

偏向锁

是轻量级锁的优化,适用于无多线程竞争。虽然轻量级锁在可以在较少线程竞争下,减少操作系统调用,减少互斥变量的产生。但在理想情况下,线程很少发生线程竞争,在轻量级锁中,还是会有比较多的CAS操作。在偏向锁中,有一个锁记录(Mark word)标记为偏向,指向当前线程。若该指向不变,则只需要判断记录是否有被切换。如果被切换了,尝试CAS替换指向,后续一直执行同步代码块。当CAS替换指向失败,则说明存在多线程竞争,此时锁会膨胀为轻量级锁。

1.2 悲观锁

  悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定会发生修改的,哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一份数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁并发操作一定会出问题。

  在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)。

  如果加锁失败,说明该记录正在被修改,那么当前查询可能要等待或者抛出异常。具体响应方式由开发者根据实际需要决定。

  如果成功加锁,那么就可以对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

  期间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作,都会等待我们解锁或直接抛出异常。

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁,而是指看待并发同步的角度。
乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁,而是指看待并发同步的角度。
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定是会发生修改的,哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁的并发操作一定会出问题。
乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作,是不会发生修改的。在更新数据的时候,会采用尝试更新,不断重新的方式更新数据。乐观的认为,不加锁的并发操作是没有事情的。

从上面的描述我们可以看出,悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升。
悲观锁在Java中的使用,就是利用各种锁。
乐观锁在Java中的使用,是无锁编程,常常采用的是CAS算法,典型的例子就是原子类,通过CAS自旋实现原子操作的更新。

自旋锁

是锁竞争失败后执行的策略之一,对应的有阻塞的锁。在线程竞争锁失败后,阻塞的锁会把线程阻塞,直到有信号唤起才能继续执行线程,此过程会涉及用户态与系统态的转换,产生性能消耗。而自旋锁在锁竞争失败后,会把线程做自旋,避免线程进入阻塞。在自旋过程中,会不断的尝试去竞争锁。
但如果线程一直自旋都获取不到锁,也会产生很多CPU的性能消耗,所以也有一个自适应的自旋锁解决这个问题。

更多技术文章、精彩干货,请关注
博客:zackku.com
微信公众号:Zack说码
[](

1.2 独享锁/共享锁

  独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。

  共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

  对于Java ReentrantLock而言,其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。

  读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的,读写,写读,写写的过程是互斥的。

  独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。

  对于Synchronized而言,当然是独享锁。

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,并不是具体的一种锁,对于ConcurrentHashMap而言,其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。
我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想,ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap(JDK7与JDK8中HashMap的实现)的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。
当需要put元素的时候,并不是对整个hashmap进行加锁,而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中,然后对这个分段进行加锁,所以当多线程put的时候,只要不是放在一个分段中,就实现了真正的并行的插入。
但是,在统计size的时候,可就是获取hashmap全局信息的时候,就需要获取所有的分段锁才能统计。
分段锁的设计目的是细化锁的粒度,当操作不需要更新整个数组的时候,就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

1.3 互斥锁/读写锁

  上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法,互斥锁/读写锁就是具体的实现。

  互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock。

  读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock。

自旋锁

自旋锁(Spin lock)
如果物理机器有一个以上的处理器,能让两个或以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程稍微等一下,但不要放弃处理器的执行时间,看看持有锁的线程是否很快会释放锁,为了让线程等待,我们只需要让线程执行一个忙循环(自旋),这就是所谓的自旋锁

本文由betway必威发布于编程开发,转载请注明出处:锁概念与锁优化,Java中的锁分类与使用

TAG标签: betway必威
Ctrl+D 将本页面保存为书签,全面了解最新资讯,方便快捷。