并发编程:锁

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什么是锁?

置于可启闭的器物上,以钥匙或暗码开启。 ——————百度百科

对于线程来说:锁是用于通过多个线程控制对共享资源的访问的工具。通常,锁提供对共享资源的独占访问:一次只能有一个线程可以获取锁,并且对共享资源的所有访问都要求首先获取锁。 但是,一些锁可能允许并发访问共享资源,如 ReadWriteLock 的读写锁。

悲观锁和乐观锁

悲观锁

对于并发间操作产生的线程安全问题持悲观状态,悲观锁认为竞争总是会发生,因此每次对某资源进行操作时,都会持有一个独占的锁,就像 synchronized,不管三七二十一,直接上了锁就操作资源了。这样其他线程想操作这个数据拿不到锁只能阻塞了。

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举个生活中的例子:

我们去医院看专家门诊,等叫号进入诊室后就把门关上,怕别人也进来。

乐观锁

对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态,乐观锁认为竞争不总是会发生,因此它不需要持有锁,将比较-替换这两个动作作为一个原子操作尝试去修改内存中的变量,如果失败则表示发生冲突,那么就应该有相应的重试逻辑。

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举个生活中的例子:

我们去医院看专家门诊,等叫号进入诊室后门开着就开着,不担心别人会进来。

两种锁的使用场景

  • 悲观锁适用于写多读少的场景,即冲突比较严重,线程间竞争激励,使用乐观锁就是导致线程不断进行重试,这样可能还降低了性能。

  • 乐观锁适用于写比较少(冲突比较小)的场景,因为不用上锁、释放锁,省去了锁的开销,从而提升了吞吐量。

独占锁和共享锁

独占锁

锁一次只能被一个线程所持有。如果一个线程对数据加上排他锁后,那么其他线程不能再对该数据加任何类型的锁。获得独占锁的线程即能读数据又能修改数据。

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JDK中的 synchronizedjava.util.concurrent(JUC) 包中 Lock 的实现类就是独占锁。

共享锁

锁可被多个线程所持有。如果一个线程对数据加上共享锁后,那么其他线程只能对数据再加共享锁,不能加独占锁。获得共享锁的线程只能读数据,不能修改数据。

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JDK 中 ReentrantReadWriteLock 就是一种共享锁。

互斥锁和读写锁

互斥锁

互斥锁是独占锁的一种常规实现,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。

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读写锁

读写锁是共享锁的一种具体实现。读写锁管理一组锁,一个是只读的锁,一个是写锁。

读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有,而写锁是独占的。写锁的优先级要高于读锁,一个获得了读锁的线程必须能看到前一个释放的写锁所更新的内容。

读写锁相比于互斥锁并发程度更高,每次只有一个写线程,但是同时可以有多个线程并发读。

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JDK 中定义了一个读写锁的接口:ReadWriteLock

公平锁和非公平锁

公平锁

多个线程按照申请锁的顺序来获取锁,这里类似排队打疫苗,先来的人先打,后来的人在队尾排着,这是公平的。

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非公平锁

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,在高并发环境下,有可能造成优先级翻转,或者饥饿的状态(某个线程一直得不到锁)。

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可重入锁

可重入锁又称之为递归锁,是指同一个线程在外层方法获取了锁,在进入内层方法会自动获取锁。可重入锁可一定程度避免死锁。

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对于 Java ReentrantLock 而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁。对于 Synchronized 而言,也是一个可重入锁。

自旋锁

指线程在没有获得锁时不是被直接挂起,而是执行一个忙循环,这个忙循环就是所谓的自旋。自旋锁的目的是为了减少线程被挂起的几率,因为线程的挂起和唤醒也都是耗资源的操作。

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如果锁被另一个线程占用的时间比较长,即使自旋了之后当前线程还是会被挂起,忙循环就会变成浪费系统资源的操作,反而降低了整体性能。因此自旋锁是不适应锁占用时间长的并发情况的。

分段锁

一种锁的设计,并不是具体的一种锁。

分段锁设计目的是将锁的粒度进一步细化,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。

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在 Java 语言中 CurrentHashMap 底层就用了分段锁,使用 Segment,就可以进行并发使用了。

锁升级

JDK1.6 为了提升性能减少获得锁和释放锁所带来的消耗,引入了4种锁的状态:无锁偏向锁轻量级锁重量级锁,它会随着多线程的竞争情况逐渐升级,但不能降级。

无锁

lock-free,其实就是上面讲的乐观锁。

偏向锁

Biased Locking 是指它会偏向于第一个访问锁的线程,如果在运行过程中,只有一个线程访问加锁的资源,不存在多线程竞争的情况,那么线程是不需要重复获取锁的,这种情况下,就会给线程加一个偏向锁。

偏向锁的实现是通过控制对象 Mark Word 的标志位来实现的,如果当前是可偏向状态,需要进一步判断对象头存储的线程 ID 是否与当前线程 ID 一致,如果一致直接进入。

轻量级锁

当线程竞争变得比较激烈时,偏向锁就会升级为轻量级锁,轻量级锁认为虽然竞争是存在的,但是理想情况下竞争的程度很低,通过自旋方式等待上一个线程释放锁。

重量级锁

如果线程并发进一步加剧,线程的自旋超过了一定次数,或者一个线程持有锁,一个线程在自旋,又来了第三个线程访问时(反正就是竞争继续加大了),轻量级锁就会膨胀为重量级锁,重量级锁会使除了此时拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

升级到重量级锁其实就是互斥锁了,一个线程拿到锁,其余线程都会处于阻塞等待状态。

在 Java 中,synchronized 关键字内部实现原理就是锁升级的过程:无锁 --> 偏向锁 --> 轻量级锁 --> 重量级锁。

锁优化技术

锁粗化

将多个同步块的数量减少,并将单个同步块的作用范围扩大,本质上就是将多次上锁、解锁的请求合并为一次同步请求。

在 Java 中, StringBuffer,它是一个线程安全的类,自然最常用的 append() 方法是一个同步方法,我们写代码的时候会反复 append 字符串,这意味着要进行反复的加锁->解锁,这对性能不利,因为这意味着 Java 虚拟机在这条线程上要反复地在内核态和用户态之间进行切换,因此 Java 虚拟机会将多次append 方法调用的代码进行一个锁粗化的操作,将多次的 append 的操作扩展到 append 方法的头尾,变成一个大的同步块,这样就减少了加锁-->解锁的次数,有效地提升了代码执行的效率。

锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器(JIT)在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。