Java中到底有哪些锁

2024-09-25 23:51 由 seven97_top 发表于 #后端开发

乐观锁和悲观锁

不是具体的锁，是指看待并发同步的角度

悲观锁：对于同一个数据的并发操作，悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

乐观锁：乐观锁不是真的锁，而是一种实现。乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。

在JAVA中悲观锁是指利用各种锁机制，而乐观锁是指无锁编程，最常采用的是CAS算法，典型的原子类，通过CAS算法实现原子类操作的更新。

可以发现：

悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

自旋锁 && 适应性自旋锁

自旋锁

阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。

而为了让当前线程“稍等一下”，就让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

也就是说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。

总的来说就是，线程的切换需要进行上下文切换，上下文的切换开销可能比执行任务代码的开销还要大，那么这种情况就可以先"自旋"，避免切换线程的开销

自旋锁的缺点：自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。

自旋锁的实现原理同样也是CAS，AtomicInteger中调用unsafe进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改数值失败则通过循环来执行自旋，直至修改成功。

适应性自旋锁

自适应意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。

无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁

Java中的synchronized锁升级机制是指synchronized锁在不同的竞争情况下，会根据竞争的激烈程度确定锁的状态，为了优化性能，主要通过对象监视器在对象头的字段来表明。

无锁

当一个线程进入synchronized代码块时，并且没有其他线程竞争这个锁时，锁处于无锁状态。

偏向锁

当一个线程进入synchronized代码块，并且没有其他线程竞争这个锁时，JVM会偏向于这个线程，将对象头的Mark Word设置为指向线程的ID。这样，下次该线程再次进入同步块时，无需进行加锁操作，可以直接进入，显然可以提高性能。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或升级到轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

轻量级锁

轻量级锁：当前锁是偏向锁并且被另外一个线程访问时，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过CAS自旋的方式尝试获取锁，不会阻塞其他线程。轻量级锁使用CAS操作来避免线程竞争，不会引起线程的阻塞和唤醒，使得线程在竞争较少的情况下可以更高效地获取锁。

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

重量级锁

升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。

重量级锁：当前锁是轻量级锁，另一个线程自旋到一定次数还没获取到锁，或者又有第三个线程来访时，轻量级锁就会升级重量级锁。重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）来实现，使得其他竞争线程阻塞等待锁的释放。

小结

无锁：无竞争

偏向锁：长时间只有一个线程访问，就会获得偏向锁

轻量级锁：当前锁是偏向锁并且被另外一个线程访问时，偏向锁就会升级为轻量级锁

重量级锁：若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

公平锁和非公平锁

公平锁：多个线程按照申请锁的顺序来获取锁

公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁：多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。

非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

在JAVA中，ReentrantLock可通过构造函数至指定是否是公平锁，默认是非公平锁

//********************* 公平锁加锁 ***********************
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() && //区别在这，!hasQueuedPredecessors()
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

//********************* 非公平锁加锁 ***********************
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

通过上面的源代码对比，可以明显的看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件：hasQueuedPredecessors()。这个方法主要是判断当前线程是否位于同步队列中的第一个。如果是则返回true，否则返回false。也就是说公平锁按照队列等待顺序来加锁的

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
    Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
    Node h = head;
    Node s;
    return h != t &&
        ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}

synchronized默认是非公平锁并且不能变为公平锁

可重入锁(递归锁) 和非可重入锁

可重入锁：指在同一线程在外层方法获取锁的时候，进入内层方法时会自动获取锁，，不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。

Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁

ReentrantLock主要通过AQS的state变量实现可重入性，synchronized通过计数器（recursions变量）实现可重入性

ReentrantLock中，当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新state值，如果state == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把state置为1，当前线程开始执行。如果state != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行state+1，且当前线程可以再次获取锁。而非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前state的值，如果state != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞。

释放锁时，可重入锁同样先获取当前state的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果state-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁。而非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将state置为0，将锁释放。

独享锁和共享锁

独享锁和共享锁是一种概念

独享锁也叫排它锁，即一个锁只能被一个线程所持有。ReentrantLock和synchronzied方法是独享锁。

共享锁：一个锁可被多个线程持有。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

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。ReentrantReadWriteLock有两把锁：ReadLock和WriteLock。

public class ReentrantReadWriteLock
        implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
   
    //……
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;

    //……

    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }

    //……
}

在ReentrantReadWriteLock里面，读锁和写锁的锁主体都是Sync，但读锁和写锁的加锁方式不一样。读锁是共享锁，写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读非常高效，而读写、写读、写写的过程互斥，因为读锁和写锁是分离的。所以ReentrantReadWriteLock的并发性相比一般的互斥锁有了很大提升。

AQS有个state字段，该字段用来描述有多少线程获持有锁。在独享锁中这个值通常是0或者1（如果是重入锁的话state值就是重入的次数），在共享锁中state就是持有锁的数量。

但是在ReentrantReadWriteLock中有读、写两把锁，所以需要在整型变量state上分别描述读锁和写锁的数量（或者也可以叫状态）。于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分，高16位表示读锁状态（读锁个数），低16位表示写锁状态（写锁个数）

写锁加锁源码：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();//获取当前锁的个数
    int w = exclusiveCount(c);//取写锁的个数
    if (c != 0) {//如果已经有线程持有了锁
        // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
        
        //如果写线程数为0 （也就是说只有读锁），或者持有锁的线程不是当前线程，就返回失败
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        //如果写入锁的数量大于最大数65535，就抛出error
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // Reentrant acquire
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    
    //执行到这里说明还没有线程持有锁
    //那么就表示写线程数也为0，并且当前线程需要阻塞那么就返回失败；或者如果通过CAS增加写线程数失败也返回失败。
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
    
    //前面都没有返回，执行到这里
    //如果c=0，w=0或者c>0，w>0（重入），则设置当前线程或锁的拥有者，返回成功！
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

上面这段代码流程如下：

首先取到当前锁的个数c，然后再通过c来获取写锁的个数w。因为写锁是低16位，所以取低16位的最大值与当前的c做与运算（ int w = exclusiveCount(c); ），高16位和0与运算后是0，剩下的就是低位运算的值，同时也是持有写锁的线程数目。
在取到写锁线程的数目后，首先判断是否已经有线程持有了锁。如果已经有线程持有了锁（c!=0），则查看当前写锁线程的数目，如果写线程数为0（即此时存在读锁）或者持有锁的线程不是当前线程就返回失败（涉及到公平锁和非公平锁的实现）。
如果写入锁的数量大于最大数（65535，2的16次方-1）就抛出一个Error。
如果当前还没有线程持有锁 c=0，即写线程数为0（那么读线程也应该为0），并且当前线程需要阻塞那么就返回失败；如果通过CAS增加写线程数失败也返回失败。
如果c=0，w=0或者c>0，w>0（重入），则设置当前线程或锁的拥有者，返回成功！

tryAcquire()除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取，原因在于：必须确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此，只有等待其他读线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，然后等待的读写线程才能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对后续的读写线程可见。

读锁加锁源码：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;//如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态
    int r = sharedCount(c);
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        if (r == 0) {
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0)
                readHolds.set(rh);
            rh.count++;
        }
        return 1;
    }
    return fullTryAcquireShared(current);
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态，成功获取读锁。读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）均减少读状态，减少的值是“1<<16”。所以读写锁才能实现读读的过程共享，而读写、写读、写写的过程互斥。

共享式与独占式的最主要区别在于：同一时刻独占式只能有一个线程获取同步状态，而共享式在同一时刻可以有多个线程获取同步状态。例如读操作可以有多个线程同时进行，而写操作同一时刻只能有一个线程进行写操作，其他操作都会被阻塞。

互斥锁和读写锁

互斥锁和读写锁是共享锁和独享锁的具体表现。

分段锁

分段锁并不是具体的一个锁，其目的是细化锁的粒度。

比如要保证数组中数据的线程安全，我们可以对其上锁，但是这样会影响效率，线程A在操作数组的时候，其他线程是不允许操作的。想一下如果线程A修改数组中下标0_{9对应的元素，线程B要修改下标10}15的元素，这两个线程同时操作也不会出现线程安全问题，那可以对数组采用两把锁来控制，一把锁控制下标0_{9的元素，另一把锁控制下标10}15的元素，这就是分段锁。相比于单个锁来说可以提高性能。

jdk7中的ConcurrentHashMap就采用了分段锁。

分布式锁

Redis实现分布式锁

ZooKeeper - 分布式锁

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来自一线程序员Seven的探索与实践，持续学习迭代中~

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Java中到底有哪些锁

乐观锁和悲观锁

自旋锁 && 适应性自旋锁

自旋锁

适应性自旋锁

无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁

相关概念

Java对象头

Monitor

四种锁状态对应的的Mark Word内容：

无锁

偏向锁

轻量级锁

重量级锁

小结

公平锁和非公平锁

可重入锁(递归锁) 和非可重入锁

独享锁和共享锁

写锁加锁源码：

读锁加锁源码：

互斥锁和读写锁

分段锁

分布式锁

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乐观锁和悲观锁

自旋锁 && 适应性自旋锁

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适应性自旋锁

无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁

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Monitor

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无锁

偏向锁

轻量级锁

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可重入锁(递归锁) 和 非可重入锁

独享锁和共享锁

写锁加锁源码：

读锁加锁源码：

互斥锁和读写锁

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可重入锁(递归锁) 和非可重入锁