logo头像
Snippet 博客主题

Java中的锁

CAS AQS

CAS

线程在读取数据时不进行加锁,在准备写回数据时,先去查询原值,操作的时候比较原值是否修改,若未被其他线程修改则写回,若已被修改,则重新执行读取流程。

三要素:内存地址、旧的预期值、要修改的新值

存在的问题:
1.ABA问题。解决办法:对内存中的值加个版本号,在比较的时候除了比较值还的比较版本号
2.CPU开销较大
在并发量比较高的情况下,如果许多线程反复尝试更新某一个变量,却又一直更新不成功,循环往复,会给CPU带来很大的压力。
3.不能保证代码块的原子性
CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作,CAS分两步:①判断这个变量是否没有变,②如果没有变,则进行写入操作。为了保证在执行完①之后,不被打断地继续执行②,这是一个原子性操作,由CPU底层实现:lock cmpxchg(注
;Synchronized 内部也是由这条命令实现)。
不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新,就不得不使用Synchronized了。

AQS

在AQS中,定义了一个volatile int state 变量作为共享资源,如果线程获取资源失败,则进入同步FIFO队列等待;如果成功获取资源就执行临界区代码。执行完释放资源时,会通知同步队列中的等待线程来获取资源后出队并执行。
AQS的底层操作时通过CAS实现。
深入分析AQS实现原理

JAVA锁有哪些种类,以及区别

公平锁/非公平锁

公平锁是指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的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

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。

可重入锁的实现原理: 是在锁内部存储了一个线程标识,用于判断当前的锁属于哪个线程,并且锁的内部维护了一个计数器,当锁空闲时此计数器的值为0,当被线程占用和重入时分别加1,当锁被释放时计数器减1,直到减到0时表示此锁为空闲状态。

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。

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

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。
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。

需要结合这两种锁的特点,进行合理的选择:

  • 响应速度:选择乐观锁。要么冲突失败要么快速成功。悲观锁则需要等待释放锁才能被执行
  • 冲突频率:频率高的话不应选择乐观锁,需要重试好几次,代价大。而悲观锁保证成功率
  • 重试代价:若重试代价大则选择悲观锁

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。即冲突真的很少发生的时候,这样可以省去了锁的开销,加大了系统的整个吞吐量。但如果经常产生冲突,上层应用会不断的进行retry,这样反倒是降低了性能,所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

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。

注意:乐观锁不会造成死锁。

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。

无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁

锁升级

  • 对象头中有一项重要的部分:Markworld。如下图所示
    hotspot
    这四种锁是指锁的状态,并且是针对Synchronized。Synchronized早期是重量级锁,后来在Java JDK5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
    无锁:最开始new出来,是没有锁的。
    偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。偏向锁是默认4秒之后启动,这四秒干了啥事:它要看有多少线程竞争,如果有竞争,那就没有偏向锁了,直接到轻量级。
    轻量级锁(自旋锁,是CAS实现的)是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,提高性能。
    重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候(10次),还没有获取到锁,或者 等待的线程超过核心数的1/2,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。重量级锁不消耗CPU资源,它维持了一个等待队列。

  • 什么情况下,轻量级锁升级为重量级锁?
    1.6之前,有线程自旋超过10次 或者 自旋线程数超过CPU核心数的一半。
    后来做了1.6优化:引入 自适应自旋。

  • 偏向锁可以不经过,是必须经过自旋锁才到重量锁吗?
    不是必须自旋。如果调用wait,就直接重量锁。

自旋锁

在Java中,自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU。

synchronized 与 lock 的区别

  • synchronized是java的内置关键字,在JVM层面; Lock是个java类
  • synchronized无法判断是否获取锁的状态,Lock可以判断是否获取到锁
  • synchronized会自动释放锁(线程执行完同步代码会释放或发生异常会释放);Lock需要在finally中手动释放锁(unlock()释放锁),否则容易造成线程死锁
  • 使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够中断,程序员无法控制;Lock可以让等待锁的线程响应中断处理,如tryLock(long time, TimeUnit unit)
  • synchronized的锁可重入,不可中断,非公平。而Lock锁可重入,可中断,可公平
  • synchronized可以锁住代码块、对象实例、类;Lock锁的范围有局限性,仅适用于代码块范围
  • synchronized要么随机唤醒一个,要么唤醒全部线程;Lock可以绑定条件,实现分组唤醒需要的线程

死锁产生的必要条件

  • 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用。即当资源被一个线程使用(占有)时,别的线程不能使用
  • 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。
  • 不剥夺条件:进程已获得的资源,在末使用完之前,不能强行剥夺。即资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源,资源只能由资源占有者主动释放。
  • 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。P1占有P2的资源,P2占有P3的资源,P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。

避免死锁的几个常见方法

  • 避免一个线程同时获取多个锁。
  • 避免一个线程在锁内同时占用多个资源,尽量保证每个锁只占用一个资源。
  • 尝试使用定时锁,使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制。
  • 对于数据库锁,加锁和解锁必须在一个数据库连接里,否则会出现解锁失败的情况。

如果没有加锁,怎么确保数据一致性

用AtomicInteger

参考文献

JAVA锁有哪些种类,以及区别
Java面试准备-锁机制
并发编程网|Java锁的种类以及辨析
关于死锁面试题
深入分析AQS实现原理