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Java 中的锁

Java中的锁分类

在读很多并发文章中，会提及各种各样锁如公平锁，乐观锁等等，这篇文章介绍各种锁的分类。介绍的内容如下：

  • 公平锁/非公平锁
  • 可重入锁/不可重入锁
  • 独享锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 乐观锁/悲观锁
  • 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，下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

公平锁/非公平锁

是什么

  • 公平锁：是指多个线程按照申请的顺序来获取值
  • 非公平锁：是值多个线程获取值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，在高并发的情况下，可能会造成优先级翻转或者饥饿现象

两者区别

  • 公平锁：在并发环境中，每一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，否者就会加入到等待队列中，以后会按照 FIFO 的规则获取锁
  • 非公平锁：一上来就尝试占有锁，如果失败在进行排队

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

最近正在阅读Java ReentrantLock源码，始终对可重入和不可重入概念理解不透彻，进行学习后记录在这里。

  • 可重入锁：指的是同一个线程外层函数获得锁之后，内层仍然能获取到该锁，在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法或会自动获取该锁
  • 不可重入锁： 所谓不可重入锁，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

Java多线程的 wait() 方法和 notify() 方法。这两个方法是成对出现和使用的，要执行这两个方法，有一个前提就是，当前线程必须获其对象的monitor（俗称“锁”），否则会抛 IllegalMonitorStateException 异常，所以这两个方法必须在同步块代码里面调用。wait()：阻塞当前线程， notify()：唤起被wait()阻塞的线程。

手动实现一个可重入锁

public class ReentrantLock {
    boolean isLocked = false;
    Thread lockedBy = null;
    int lockedCount = 0;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        while (isLocked && lockedBy != thread) {
            wait();
        }
        isLocked = true;
        lockedCount++;
        lockedBy = thread;
    }
    
    public synchronized void unlock() {
        if (Thread.currentThread() == lockedBy) {
            lockedCount--;
            if (lockedCount == 0) {
                isLocked = false;
                notify();
            }
        }
    }
}

发现可以输出 ReentrantLock，我们设计两个线程调用 print() 方法，第一个线程调用 print() 方法获取锁，进入 lock() 方法，由于初始 lockedBy 是 null，所以不会进入 while 而挂起当前线程，而是是增量 lockedCount 并记录 lockBy 为第一个线程。接着第一个线程进入 doAdd() 方法，由于同一进程，所以不会进入 while 而挂起，接着增量 lockedCount，当第二个线程尝试lock，由于 isLocked=true，所以他不会获取该锁，直到第一个线程调用两次 unlock() 将 lockCount 递减为0，才将标记为 isLocked 设置为 false。

public class Count {
//    NotReentrantLock lock = new NotReentrantLock();
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void print() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        doAdd();
        lock.unlock();
    }

    private void doAdd() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        // do something
        System.out.println("ReentrantLock");
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Count count = new Count();
        count.print();
    }
}

手动实现一个不可重入锁

public class NotReentrantLock {
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        while (isLocked) {
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }
    public synchronized void unlock() {
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

测试

public class Count {
    NotReentrantLock lock = new NotReentrantLock();
    public void print() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        doAdd();
        lock.unlock();
    }

    private void doAdd() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        // do something
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Count count = new Count();
        count.print();
    }
}

当前线程执行print()方法首先获取lock，接下来执行doAdd()方法就无法执行doAdd()中的逻辑，必须先释放锁。这个例子很好的说明了不可重入锁。

synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁

synchronzied 

public class SynchronziedDemo {

    private synchronized void print() {
        doAdd();
    }
    private synchronized void doAdd() {
        System.out.println("doAdd...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronziedDemo synchronziedDemo = new SynchronziedDemo();
        synchronziedDemo.print(); // doAdd...
    }
}

上面可以说明 synchronized 是可重入锁。

ReentrantLock

public class ReentrantLockDemo {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private void print() {
        lock.lock();
        doAdd();
        lock.unlock();
    }

    private void doAdd() {
        lock.lock();
        lock.lock();
        System.out.println("doAdd...");
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo reentrantLockDemo = new ReentrantLockDemo();
        reentrantLockDemo.print();
    }
}

上面例子可以说明 ReentrantLock 是可重入锁，而且在 #doAdd 方法中加两次锁和解两次锁也可以。

可重入锁的概念和设计思想大体如此，Java 中的可重入锁 ReentrantLock 设计思路也是这样。

独享锁/共享锁

是什么

  • 独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。
  • 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。

对于Synchronized而言，当然是独享锁。

读写锁例子

public class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    WriteLock writeLock = lock.writeLock();
    ReadLock readLock = lock.readLock();

    public void put(String key, Object value) {
        try {
            writeLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在写入...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(key, value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完成，写入结果是 " + value);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public void get(String key) {
        try {
            readLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在读...");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Object res = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取完成，读取结果是 " + res);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
}

测试

public class ReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyCache cache = new MyCache();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                cache.put(temp + "", temp + "");
            }).start();
        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                cache.get(temp + "");
            }).start();
        }
    }
}

输出结果

Thread-0 正在写入...
Thread-0 写入完成，写入结果是 0
Thread-1 正在写入...
Thread-1 写入完成，写入结果是 1
Thread-2 正在写入...
Thread-2 写入完成，写入结果是 2
Thread-3 正在写入...
Thread-3 写入完成，写入结果是 3
Thread-4 正在写入...
Thread-4 写入完成，写入结果是 4
Thread-5 正在读...
Thread-7 正在读...
Thread-8 正在读...
Thread-6 正在读...
Thread-9 正在读...
Thread-5 读取完成，读取结果是 0
Thread-7 读取完成，读取结果是 2
Thread-8 读取完成，读取结果是 3
Thread-6 读取完成，读取结果是 1
Thread-9 读取完成，读取结果是 4

能保证读写、写读和写写的过程是互斥的时候是独享的，读读的时候是共享的。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。

  • 互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
  • 读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。

  • 悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题。

乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，会采用尝试更新，不断重新的方式更新数据。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。

从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。

  • 悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
  • 乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

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。

我们以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。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

偏向锁

在没有实际竞争的情况下，还能够针对部分场景继续优化。如果不仅仅没有实际竞争，自始至终，使用锁的线程都只有一个，那么，维护轻量级锁都是浪费的。偏向锁的目标是，减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗。轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS，但偏向锁只有初始化时需要一次CAS。

“偏向”的意思是，偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程再来申请锁），因此，只需要在Mark Word中 CAS 记录owner（本质上也是更新，但初始值为空），如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁状态为偏向锁，以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁；否则，说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁。

偏向锁无法使用自旋锁优化，因为一旦有其他线程申请锁，就破坏了偏向锁的假定。

缺点：

同样的，如果明显存在其他线程申请锁，那么偏向锁将很快膨胀为轻量级锁。

不过这个副作用已经小的多。

如果需要，使用参数-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化（默认打开）。

轻量级锁

自旋锁的目标是降低线程切换的成本。如果锁竞争激烈，我们不得不依赖于重量级锁，让竞争失败的线程阻塞；如果完全没有实际的锁竞争，那么申请重量级锁都是浪费的。轻量级锁的目标是，减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。

顾名思义，轻量级锁是相对于重量级锁而言的。使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将 Mark Word 中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁；否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，目前发生了锁竞争（不适合继续使用轻量级锁），接下来膨胀为重量级锁。

Mark Word是对象头的一部分；每个线程都拥有自己的线程栈（虚拟机栈），记录线程和函数调用的基本信息。二者属于JVM的基础内容，此处不做介绍。

当然，由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景，如果存在锁竞争但不激烈，仍然可以用自旋锁优化，自旋失败后再膨胀为重量级锁。

重量级锁

内置锁在Java中被抽象为监视器锁（monitor）。在JDK 1.6之前，监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量（mutex）。这种同步方式的成本非常高，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此，后来称这种锁为“重量级锁”。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁分配和膨胀的详细过程见后。会涉及一些Mark Word与CAS的知识。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁适用于不同的并发场景：

  • 偏向锁：无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
  • 轻量级锁：无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争。
  • 重量级锁：有实际竞争，且锁竞争时间长。

另外，如果锁竞争时间短，可以使用自旋锁进一步优化轻量级锁、重量级锁的性能，减少线程切换。

如果锁竞争程度逐渐提高（缓慢），那么从偏向锁逐步膨胀到重量锁，能够提高系统的整体性能。

自旋锁

首先，内核态与用户态的切换上不容易优化。但通过自旋锁，可以减少线程阻塞造成的线程切换（包括挂起线程和恢复线程）。

如果锁的粒度小，那么锁的持有时间比较短（尽管具体的持有时间无法得知，但可以认为，通常有一部分锁能满足上述性质）。那么，对于竞争这些锁的而言，因为锁阻塞造成线程切换的时间与锁持有的时间相当，减少线程阻塞造成的线程切换，能得到较大的性能提升。具体如下：

  • 当前线程竞争锁失败时，打算阻塞自己
  • 不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一个空的有限for循环）一会
  • 在自旋的同时重新竞争锁
  • 如果自旋结束前获得了锁，那么锁获取成功；否则，自旋结束后阻塞自己

如果在自旋的时间内，锁就被旧owner释放了，那么当前线程就不需要阻塞自己（也不需要在未来锁释放时恢复），减少了一次线程切换。

“锁的持有时间比较短“这一条件可以放宽。实际上，只要锁竞争的时间比较短（比如线程1快释放锁的时候，线程2才会来竞争锁），就能够提高自旋获得锁的概率。这通常发生在锁持有时间长，但竞争不激烈的场景中。

手动实现自旋锁

public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
    private void lock () {
        System.out.println(Thread.currentThread() + " coming...");
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, Thread.currentThread())) {
            // loop
        }
    }

    private void unlock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
        System.out.println(thread + " unlock...");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        new Thread(() -> {
            spinLock.lock();
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("hahaha");
            spinLock.unlock();

        }).start();

        Thread.sleep(1);

        new Thread(() -> {
            spinLock.lock();
            System.out.println("hehehe");
            spinLock.unlock();
        }).start();
    }
}

输出：

Thread[Thread-0,5,main] coming...
Thread[Thread-1,5,main] coming...
hahaha
Thread[Thread-0,5,main] unlock...
hehehe
Thread[Thread-1,5,main] unlock...

获取锁的时候，如果原子引用为空就获取锁，不为空表示有人获取了锁，就循环等待。

典型的自旋锁实现的例子，可以参考自旋锁的实现

锁分配和膨胀过程

锁分配和膨胀过程

参考链接

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