Java - 锁机制

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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/不可重入锁

可重入锁

广义上的可重入锁指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁（前提得是同一个对象或者class），这样的锁就叫做可重入锁。ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

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

不可重入锁

不可重入锁，与可重入锁相反，不可递归调用，递归调用就发生死锁。下面看一个使用自旋锁模拟不可重入锁的例子：

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package main.java.com.study.lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * @author: whb
 * @description: 自旋锁模拟不可重入锁
 */
public class UnReentrantLock {

    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();

    /**
     * 加锁
     */
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        //经典的自旋语法
        for (; ; ) {
            if (!owner.compareAndSet(null, current)) {
                return;
            }
        }
    }

    /**
     * 解锁
     */
    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        owner.compareAndSet(current, null);
    }
}

代码也比较简单，使用原子引用来存放线程，同一线程两次调用lock()方法，如果不执行unlock()释放锁的话，第二次调用自旋的时候就会产生死锁，这个锁就不是可重入的，而实际上同一个线程不必每次都去释放锁再来获取锁，这样的调度切换是很耗资源的。
把它变成可重入锁

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package main.java.com.study.lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * @author: whb
 * @description: 自旋锁模拟可重入锁
 */
public class ReentrantLock {

    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
    //记录重入次数
    private volatile int state = 0;

    /**
     * 加锁
     */
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        if (current == owner.get()) {
            state++;
            return;
        }
        for (; ; ) {
            if (!owner.compareAndSet(null, current)) {
                return;
            }
        }
    }

    /**
     * 释放锁
     */
    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        if (current == owner.get()) {
            if (state != 0) {
                state--;
            } else {
                owner.compareAndSet(current, null);
            }
        }
    }
}

在执行每次操作之前，判断当前锁持有者是否是当前对象，采用state计数，不用每次去释放锁。

J.U.C包中ReentrantLock中可重入锁实现，看下非公平锁的锁获取实现：

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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;
}

在AQS中维护了一个private volatile int state来记录重入次数，避免了频繁的持有释放操作，这样既提升了效率，又避免了死锁。

独占锁/共享锁

独占锁

该锁每一次只能被一个线程所持有。

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。

另外读锁的共享可保证并发读是非常高效的，但是读写和写写，写读都是互斥的。

独占锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独占或者共享。对于Synchronized而言，当然是独占锁。

互斥锁/读写锁

互斥锁

在访问共享资源之前进行加锁操作，在访问完成之后进行解锁操作。加锁后，任何其他试图再次加锁的线程会被阻塞，直到当前进程解锁。如果解锁时有一个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的线程都被变成就绪状态， 第一个变为就绪状态的线程又执行加锁操作，那么其他的线程又会进入等待。在这种方式下，只有一个线程能够访问被互斥锁保护的资源。

读写锁

读写锁既是互斥锁，又是共享锁，read模式是共享，write是互斥(排它锁)的。读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock。

读写锁有三种状态：读加锁状态、写加锁状态和不加锁状态。

一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。

只有一个线程可以占有写状态的锁，但可以有多个线程同时占有读状态锁，这也是它可以实现高并发的原因。当其处于写状态锁下，任何想要尝试获得锁的线程都会被阻塞，直到写状态锁被释放；如果是处于读状态锁下，允许其它线程获得它的读状态锁，但是不允许获得它的写状态锁，直到所有线程的读状态锁被释放；为了避免想要尝试写操作的线程一直得不到写状态锁，当读写锁感知到有线程想要获得写状态锁时，便会阻塞其后所有想要获得读状态锁的线程。所以读写锁非常适合资源的读操作远多于写操作的情况。

悲观锁/乐观锁

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（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

乐观锁

总是假设最好的情况，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，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。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实现的。

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。

并发容器类的加锁机制是基于粒度更小的分段锁，分段锁也是提升多并发程序性能的重要手段之一。

在并发程序中，串行操作是会降低可伸缩性，并且上下文切换也会减低性能。在锁上发生竞争时将导致这两种问题，使用独占锁时保护受限资源的时候，基本上是采用串行方式—-每次只能有一个线程能访问它。所以对于可伸缩性来说最大的威胁就是独占锁。

三种方式降低锁的竞争程度：
1、减少锁的持有时间；

2、降低锁的请求频率；

3、使用带有协调机制的独占锁，这些机制允许更高的并发；

无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁

锁的四种状态

  1. 无锁状态；
  2. 偏向锁状态；
  3. 轻量级锁状态；
  4. 重量级锁状态；

这四种状态都不是Java语言中的锁，而是Jvm为了提高锁的获取与释放效率而做的优化(使用synchronized时)。锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级。

Java对象头

以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

Monitor
Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。
Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步。“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”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。
所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。
下面给出四种锁状态对应的的Mark Word内容，然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点：
img

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。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。上面我们介绍的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。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。
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”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
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。

轻量级锁

是指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。
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。

自旋锁

CAS算法

我们知道CAS算法是乐观锁的一种实现方式，CAS算法中又涉及到自旋锁，先回顾下CAS算法：
CAS是英文单词Compare and Swap（比较并交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三个操作数

  1. 需要读写的内存值 V

  2. 进行比较的值 A

  3. 拟写入的新值 B

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B，否则不会执行任何操作。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

CAS存在的问题

  1. ABA问题。CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。
    JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题，具体操作封装在compareAndSet()中。compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等，如果都相等，则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。

  2. 循环时间长开销大。CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。

  3. 只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。

Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

自旋锁

在介绍自旋锁前，我们需要介绍一些前提知识来帮助大家明白自旋锁的概念。
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，我们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”，我们需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。

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public class SpinLock {
  private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
  public void lock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 利用CAS
    while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
      // DO nothing
    }
  }
  public void unlock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    cas.compareAndSet(current, null);
  }
}

lock（)方法利用的CAS，当第一个线程A获取锁的时候，能够成功获取到，不会进入while循环，如果此时线程A没有释放锁，另一个线程B又来获取锁，此时由于不满足CAS，所以就会进入while循环，不断判断是否满足CAS，直到A线程调用unlock方法释放了该锁。

自旋锁的缺陷

  1. 如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。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。

  2. 上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。

自旋锁的优点

  1. 自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快

  2. 非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。 （线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

适应性自旋锁

自旋锁在JDK1.4.2中引入，使用-XX:+UseSpinning来开启。JDK 6中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（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。
在自旋锁中 另有三种常见的锁形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock。

本文标题:Java - 锁机制

文章作者:王洪博

发布时间:2018年11月22日 - 09:11

最后更新:2020年02月19日 - 02:02

原始链接:http://whb1990.github.io/posts/dd749e64.html

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