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Java锁机制

悲观锁与乐观锁思想:

乐观锁:

乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,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,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新),如果失败则要重复读-比较-写的操作。java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的,CAS 是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败。

悲观锁:

悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁,获取不到,才会转换为悲观锁,如 RetreenLock。


自旋锁:

自旋锁原理非常简单,如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋),等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。线程自旋是需要消耗 cpu 的,说白了就是让 cpu 在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用 cpu 自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。


自旋锁的优缺点:

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换!但是如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功,占着 XX 不 XX,同时有大量线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗,其它需要 cup 的线程又不能获取到 cpu,造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁;


        Synchronized 同步锁:

        synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁,同时属于可重入锁。

        Synchronized 作用范围:

1. 作用于方法时,锁住的是对象的实例(this);

2. 当作用于静态方法时,锁住的是Class实例,又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen(jdk1.8 则是 metaspace),永久带是全局共享的,因此静态方法锁相当于类的一个全局锁,会锁所有调用该方法的线程;

3. synchronized 作用于一个对象实例时,锁住的是所有以该对象为锁的代码块。它有多个队列,当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

Synchronized 核心组件

1) Wait Set:哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里;

2) Contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中;

3) Entry List:Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中;

4) OnDeck:任意时刻,最多只有一个线程正在竞争锁资源,该线程被成为 OnDeck;

5) Owner:当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner;

6) !Owner:当前释放锁的线程。

实现原理:

image.png

ReentrantLock:

ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法,他是一种可重入锁,除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外,还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

        

Lock 接口的主要方法:

1. void lock(): 执行此方法时, 如果锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁. 相反, 如果锁已经被其他线程持有, 将禁用当前线程, 直到当前线程获取到锁.

2. boolean tryLock():如果锁可用, 则获取锁, 并立即返回 true, 否则返回 false. 该方法和lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 如果锁不可用, 不会导致当前线程被禁用, 当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是一定要获取到锁, 如果锁不可用, 就一直等待, 在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行. 

3. void unlock():执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放, 如果线程并不持有锁, 却执行该方法, 可能导致异常的发生.

4. Condition newCondition():条件对象,获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定,当前线程只有获取了锁,才能调用该组件的 await()方法,而调用后,当前线程将缩放锁。

5. getHoldCount() :查询当前线程保持此锁的次数,也就是执行此线程执行 lock 方法的次数。

6. getQueueLength():返回正等待获取此锁的线程估计数,比如启动 10 个线程,1 个线程获得锁,此时返回的是 9

7. getWaitQueueLength:(Condition condition)返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程,用同一个 condition 对象,并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法,那么此时执行此方法返回 10

8. hasWaiters(Condition condition):查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition),对于指定 contidion 对象,有多少线程执行了 condition.await 方法

9. hasQueuedThread(Thread thread):查询给定线程是否等待获取此锁

10. hasQueuedThreads():是否有线程等待此锁

11. isFair():该锁是否公平锁

12. isHeldByCurrentThread(): 当前线程是否保持锁锁定,线程的执行 lock 方法的前后分别是 false 和 true 

13. isLock():此锁是否有任意线程占用

14. lockInterruptibly():如果当前线程未被中断,获取锁

15. tryLock():尝试获得锁,仅在调用时锁未被线程占用,获得锁

16. tryLock(long timeout TimeUnit unit):如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持,则获取该锁。


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