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深入并发锁，解析Synchronized锁升级

 4 years ago
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这篇文章分为六个部分，不同特性的锁分类，并发锁的不同设计，Synchronized中的锁升级，ReentrantLock和ReadWriteLock的应用，帮助你梳理 Java 并发锁及相关的操作。

一、锁有哪些分类

一般我们提到的锁有以下这些：

  • 乐观锁/悲观锁
  • 公平锁/非公平锁
  • 可重入锁
  • 独享锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 分段锁
  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
  • 自旋锁

上面是很多锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，下面分别说明。

1、乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念，体现了看待线程同步的不同角度，在Java和数据库中都有此概念对应的实际应用。

（1）乐观锁

顾名思义，就是很乐观，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，可以使用版本号等机制。

乐观锁适用于多读的应用类型，乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

CAS全称 Compare And Swap（比较与交换），是一种无锁算法。在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

简单来说，CAS算法有3个三个操作数：

  • 需要读写的内存值 V。
  • 进行比较的值 A。
  • 要写入的新值 B。

当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。

（2）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。

传统的MySQL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。

  • 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。

2、公平锁 VS 非公平锁

（1）公平锁

就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照FIFO的规则从队列中取到自己。

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。

（2）非公平锁

上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。

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。

（3）典型应用

java jdk并发包中的ReentrantLock可以指定构造函数的boolean类型来创建公平锁和非公平锁（默认）,比如：公平锁可以使用new ReentrantLock(true)实现。

3、独享锁 VS 共享锁

（1）独享锁

是指该锁一次只能被一个线程所持有。

（2）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。

（3）AQS

抽象队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS）是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

concurrent包的实现结构如上图所示，AQS、非阻塞数据结构和原子变量类等基础类都是基于volatile变量的读/写和CAS实现，而像Lock、同步器、阻塞队列、Executor和并发容器等高层类又是基于基础类实现。

4、互斥锁 VS 读写锁

相交进程之间的关系主要有两种，同步与互斥。所谓互斥，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。所谓同步，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

显然，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。

也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！

总结：互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

（1）互斥锁

在访问共享资源之前对进行加锁操作，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编程就绪状态， 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

（2）读写锁

这个时候读写锁就应运而生了，读写锁是一种通用技术，并不是Java特有的。

读写锁特点：

  • 多个读者可以同时进行读
  • 写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行）
  • 写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）

互斥锁特点：

  • 一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待

（3）Linux的读写锁

Linux内核也支持读写锁。

互斥锁
pthread_mutex_init()
pthread_mutex_lock()
pthread_mutex_unlock()
读写锁
 
pthread_rwlock_init()
pthread_rwlock_rdlock()
pthread_rwlock_wrlock()
pthread_rwlock_unlock()
条件变量
 
pthread_cond_init()
pthread_cond_wait()
pthread_cond_signal()

5、自旋锁

自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

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。

典型的自旋锁实现的例子，可以参考自旋锁的实现

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。

但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

（1）Java如何实现自旋锁？

下面是个简单的例子：

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。

（2）自旋锁存在的问题

  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。
  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。

（3）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）

二、并发锁的不同设计方式

根据所锁的设计方式和应用，有分段锁，读写锁等。

1、分段锁技术，并发锁的一种设计方案

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。

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。

2、锁消除和锁膨胀（粗化）

锁消除，如无必要，不要使用锁。Java 虚拟机也可以根据逃逸分析判断出加锁的代码是否线程安全，如果确认线程安全虚拟机会进行锁消除提高效率。

锁粗化。如果一段代码需要使用多个锁，建议使用一把范围更大的锁来提高执行效率。Java 虚拟机也会进行优化，如果发现同一个对象锁有一系列的加锁解锁操作，虚拟机会进行锁粗化来降低锁的耗时。

3、轮询锁与定时锁

轮询锁是通过线程不断尝试获取锁来实现的，可以避免发生死锁，可以更好地处理错误场景。Java 中可以通过调用锁的 tryLock 方法来进行轮询。tryLock 方法还提供了一种支持定时的实现，可以通过参数指定获取锁的等待时间。如果可以立即获取锁那就立即返回，否则等待一段时间后返回。

4、读写锁

读写锁 ReadWriteLock 可以优雅地实现对资源的访问控制，具体实现为 ReentrantReadWriteLock。读写锁提供了读锁和写锁两把锁，在读数据时使用读锁，在写数据时使用写锁。

读写锁允许有多个读操作同时进行，但只允许有一个写操作执行。如果写锁没有加锁，则读锁不会阻塞，否则需要等待写入完成。

ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = lock.readLock();
Lock writeLock = lock.writeLock();

三、synchronized中的锁

synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。

在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK 中，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

1、synchronized中锁的状态

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。

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)。

  • 无锁状态
  • 偏向锁状态
  • 轻量级锁状态
  • 重量级锁状态

2、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5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。

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。

轻量级锁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，还没有获取到锁，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。

3、synchronized的锁升级

所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

四、看下ReentrantLock

ReentrantLock，一个可重入的互斥锁，它具有与使用synchronized方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。

1、基本用法

public class LockTest {
 
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void testMethod() {
        lock.lock();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()
                    + (" " + (i + 1)));
        }
        lock.unlock();
    }
 
}

2、Condition应用

synchronized与wait()和nitofy()/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知模型，ReentrantLock同样可以，但是需要借助Condition，且Condition有更好的灵活性，具体体现在：

  • 一个Lock里面可以创建多个Condition实例，实现多路通知
  • notify()方法进行通知时，被通知的线程时Java虚拟机随机选择的，但是ReentrantLock结合Condition可以实现有选择性地通知，这是非常重要的

3、Condition类和Object类

  • Condition类的awiat方法和Object类的wait方法等效
  • Condition类的signal方法和Object类的notify方法等效
  • Condition类的signalAll方法和Object类的notifyAll方法等效

五、再看下ReadWriteLock

在并发场景中用于解决线程安全的问题，我们几乎会高频率的使用到独占式锁，通常使用java提供的关键字synchronized（关于synchronized可以看这篇文章）或者concurrents包中实现了Lock接口的ReentrantLock。

它们都是独占式获取锁，也就是在同一时刻只有一个线程能够获取锁。而在一些业务场景中，大部分只是读数据，写数据很少，如果仅仅是读数据的话并不会影响数据正确性（出现脏读），而如果在这种业务场景下，依然使用独占锁的话，很显然这将是出现性能瓶颈的地方。

针对这种读多写少的情况，java还提供了另外一个实现Lock接口的ReentrantReadWriteLock(读写锁)。读写所允许同一时刻被多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他的写线程都会被阻塞。

1、ReadWriteLock接口

ReadWriteLock，顾明思义，读写锁在读的时候，上读锁，在写的时候，上写锁，这样就很巧妙的解决synchronized的一个性能问题：读与读之间互斥。

ReadWriteLock也是一个接口，原型如下：

public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}

该接口只有两个方法，读锁和写锁。

也就是说，我们在写文件的时候，可以将读和写分开，分成2个锁来分配给线程，从而可以做到读和读互不影响，读和写互斥，写和写互斥，提高读写文件的效率。

2、ReentrantReadWriteLock应用

下面的实例参考《Java并发编程的艺术》，使用读写锁实现一个缓存。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Cache {
    static Map<String,Object> map = new HashMap<String, Object>();
    static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
    
    public static final Object getByKey(String key){
        readLock.lock();
        try{
            return map.get(key);
        }finally{
            readLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object getMap(){
        readLock.lock();
        try{
            return map;
        }finally{
            readLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object put(String key,Object value){
        writeLock.lock();
        try{
            return map.put(key, value);
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object remove(String key){
        writeLock.lock();
        try{
            return map.remove(key);
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final void clear(){
        writeLock.lock();
        try{
            map.clear();
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<Thread>();
        for(int i =0;i<6;i++){
            Thread thread = new PutThread();
            threadList.add(thread);
        }
        for(Thread thread : threadList){
            thread.start();
        }
        put("ji","ji");
        System.out.println(getMap());
    }
    
    private static class PutThread extends Thread{
        public void run(){
            put(Thread.currentThread().getName(),Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

3、读写锁的锁降级

读写锁支持锁降级，遵循按照获取写锁，获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁，不支持锁升级，关于锁降级下面的示例代码摘自ReentrantWriteReadLock源码中：

void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        if (!cacheValid) {
            // Must release read lock before acquiring write lock
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                // Recheck state because another thread might have
                // acquired write lock and changed state before we did.
                if (!cacheValid) {
                    data = ...
            cacheValid = true;
          }
          // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
          rwl.readLock().lock();
        } finally {
          rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
        }
      }
 
      try {
        use(data);
      } finally {
        rwl.readLock().unlock();
      }
    }
}

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