Java锁机制

V2AS问路

Java锁机制

阅读原文时间：2021年04月20日阅读：1

Java锁的划分

Java锁具体可分为悲观锁/乐观锁、自旋锁/适应性自旋锁、偏向锁、轻量级锁/重量级锁、公平锁和非公平锁、可重入锁/非可重入锁、共享锁/排他锁
具体划分如下：

乐观锁VS悲观锁

概念

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(可以使用版本号机制和CAS算法实现)。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）

应用场景

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。

传统的关系型数据库使用了很多悲观锁机制如行锁，表锁都是操作之前先上锁
Java中的synchronized和ReentrantLock体现的就是悲观锁

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

java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是基于CAS实现的乐观锁

优缺点

乐观锁缺点

ABA问题
如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
自旋时间长开销大
自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
只能保证一个共享变量的原子操作 CAS只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。但是从 JDK 1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量封装成对象里来进行 CAS 操作. 所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量封装成一个共享变量来操作。

示例

// ------------------------- 悲观锁的调用方式 -------------------------
// synchronized
public synchronized void testMethod() {
    // 操作同步资源
}
// ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 需要保证多个线程使用的是同一个锁
public void modifyPublicResources() {
    lock.lock();
    // 操作同步资源
    lock.unlock();
}

// ------------------------- 乐观锁的调用方式 -------------------------
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 需要保证多个线程使用的是同一个AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //执行自增1

悲观锁显式进行锁定只同步操作

自旋锁 VS 适应性自旋锁

自旋锁概念

阻塞或者唤醒一个JAVA的线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态的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，很可能导致状态转换消耗的时间比用户代码执行的时间还要长。所以在短暂的等待之后就可以继续进行的线程，为了让线程等待一下，需要让线程进行自旋，在自旋完成之后，前面锁定了同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不需要阻塞便直接获取同步资源，从而避免了线程切换的开销。这就是自旋锁。

自旋锁优缺点

优点：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。所以自旋锁就可以避免 CPU 切换带来的性能、时间等影响。
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。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是 10 次，可以使用 -XX:PreBlockSpin 来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程

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。

示例

AtomicInteger 是基于 CAS 实现的自旋锁

// JDK 8
// AtomicInteger 自增方法
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
// Unsafe.class
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}

无锁VS偏向锁

无锁

无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

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。
在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。
在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

偏向锁的实现

偏向锁的获取

访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。
如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤5，否则进入步骤3。
如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行5；如果竞争失败，执行4。
如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏向锁的时候会导致stop the word）
执行同步代码。

偏向锁的释放

*　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，线程不会主动去释放偏向锁。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未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

轻量级锁VS重量级锁

概念

当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，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，从而提高性能。

轻量锁的加锁过程

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，官方称之为 Displaced Mark Word
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object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5
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”，即表示此对象处于轻量级锁定状态
如果这个更新操作失败了，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，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程

公平锁VS非公平锁

概念

公平锁（Fair）：加锁前检查是否有排队等待的线程，优先排队等待的线程，先来先得
非公平锁（Nonfair）：加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，如果的锁的状态可用，那么该线程会跳过所有等待直接获取锁，相当于有插队行为

优缺点

公平锁CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大,恢复一个挂起的线程到线程真正的去运行存在严重延迟。假设线程A持有一个锁，并且线程B请求这个锁。由于锁被A持有，因此B将被挂起。当A释放锁时，B将被唤醒，因此B会再次尝试获取这个锁。与此同时，如果线程C也请求这个锁，那么C很可能会在B被完全唤醒之前获得、使用以及释放这个锁。这样就是一种双赢的局面：B获得锁的时刻并没有推迟，C更早的获得了锁，并且吞吐量也提高了
当持有锁的时间相对较长或者请求锁的平均时间间隔较长，应该使用公平锁。在这些情况下，插队带来的吞吐量提升（当锁处于可用状态时，线程却还处于被唤醒的过程中）可能不会出现。

示例

ReentrantLock 默认的lock()方法采用的是非公平锁

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

公平锁有个!hasQueuedPredecessors()条件，意思是说当前同步队列没有前驱节点（也就是没有线程在等待）时才会去compareAndSetState(0, acquires)使用CAS修改同步状态变量。所以就实现了公平锁，根据线程发出请求的顺序获取锁

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;final void lock() {
    acquire(1);
}

/**
 * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
 * recursive call or no waiters or is first.
 */
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (!hasQueuedPredecessors() &amp;&amp;
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc &lt; 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}
}

非公平锁的实现在刚进入lock方法时会直接使用一次CAS去尝试获取锁，不成功才会到acquire方法，而在nonfairTryAcquire方法中并没有判断是否有前驱节点在等待，直接CAS尝试获取锁
```
  /**
 * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
 * acquire on failure.
 */
final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      return nonfairTryAcquire(acquires);
}
```
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;
}

可重入锁 VS 非可重入锁

概念

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，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），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，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁
不可重入锁，即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞
不可重入锁,可能存在被当前线程所持有，且无法释放的死锁问题

独享锁VS共享锁

独享锁：该锁每一次只能被一个线程所持有，也叫排他锁，获得排他锁的线程既能读数据又能写数据
共享锁：该锁可被多个线程共有，典型的就是ReentrantReadWriteLock里的读锁，它的读锁是可以被共享的，但是它的写锁确每次只能被独占
独享锁与共享锁时通过AQS来实现的

示例

独享锁ReentrantLock源码中可以看出无论是公平锁还是非公平锁，只要当线程不是拥有锁的线程，都不能加锁

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;
}
共享锁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
…
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (exclusiveCount© != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount©;
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);
}