JAVA 多線程鎖介紹

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是對(duì) Java 多線程鎖進(jìn)行介紹，是對(duì)鎖的一個(gè)全方位的概述，為我們對(duì)后續(xù)深入學(xué)習(xí)不同的鎖的使用方法奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)如下：

• 樂(lè)觀鎖與悲觀鎖的概念，以及兩種鎖之間的區(qū)別，這是并發(fā)編程中經(jīng)常涉及到的知識(shí)點(diǎn)，這是本節(jié)課程的核心知識(shí)點(diǎn)，是熱度很高的必須要掌握的知識(shí)，后續(xù)還會(huì)有專門的小節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解；
• 公平鎖與非公平鎖的介紹，并發(fā)編程中經(jīng)常涉及到的知識(shí)點(diǎn)，需要掌握其概念與區(qū)別；
• 獨(dú)占鎖與共享鎖的介紹，并發(fā)編程中經(jīng)常涉及到的知識(shí)點(diǎn)，需要掌握其概念與區(qū)別；
• 自旋鎖的介紹，對(duì)于自旋鎖，了解其概念即可。

2. 悲觀鎖

定義：悲觀鎖指對(duì)數(shù)據(jù)被外界修改持保守態(tài)度，認(rèn)為數(shù)據(jù)很容易就會(huì)被其他線程修改（很悲觀），所以在數(shù)據(jù)被處理前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，并在整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，使數(shù)據(jù)處于鎖定狀態(tài)。

悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)：開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的悲觀鎖實(shí)現(xiàn)往往依靠數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制，即在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在對(duì)數(shù)據(jù)記錄操作前給記錄加排它鎖。如果獲取鎖失敗，則說(shuō)明數(shù)據(jù)正在被其他線程修改，當(dāng)前線程則等待或者拋出異常。如果獲取鎖成功，則對(duì)記錄進(jìn)行操作，然后提交事務(wù)后釋放排它鎖。

實(shí)例：Java 中的 synchronized 關(guān)鍵字就是一種悲觀鎖，一個(gè)線程在操作時(shí)，其他的線程必須等待，直到鎖被釋放才可進(jìn)入方法進(jìn)行執(zhí)行，保證了線程和數(shù)據(jù)的安全性，同一時(shí)間，只能有一條線程進(jìn)入執(zhí)行。

我們用一段熟悉的代碼進(jìn)行悲觀鎖的展示。

public class Student {
    private String name;

    public synchronized String getName() {
        return name;
    }

    public synchronized void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

代碼分析 ：假設(shè)有 3 條線程，如下圖，線程 3 正在操作 Student 類，此時(shí)線程 1 和線程 2 必須要等待線程 3 執(zhí)行完畢方可進(jìn)入，這就是悲觀鎖。

3. 樂(lè)觀鎖

定義：樂(lè)觀鎖是相對(duì)悲觀鎖來(lái)說(shuō)的，它認(rèn)為數(shù)據(jù)在一般情況下不會(huì)造成沖突，所以在訪問(wèn)記錄前不會(huì)加排它鎖，而是在進(jìn)行數(shù)據(jù)提交更新的時(shí)候，才會(huì)正式對(duì)數(shù)據(jù)沖突與否進(jìn)行檢測(cè)。

樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)：依舊拿數(shù)據(jù)庫(kù)的鎖進(jìn)行比較介紹，樂(lè)觀鎖并不會(huì)使用數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制， 一般在表中添加 version 宇段或者使用業(yè)務(wù)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 樂(lè)觀鎖直到提交時(shí)才鎖定，所以不會(huì)產(chǎn)生任何死鎖。

Java 中的樂(lè)觀鎖：我們之前所學(xué)習(xí)的 CAS 原理即是樂(lè)觀鎖技術(shù)，當(dāng)多個(gè)線程嘗試使用 CAS 同時(shí)更新同一個(gè)變量時(shí)，只有其中一個(gè)線程能更新變量的值，而其它線程都失敗，失敗的線程并不會(huì)被掛起，而是被告知這次競(jìng)爭(zhēng)中失敗，并可以再次嘗試。

Tips：我們這里所說(shuō)的對(duì)于樂(lè)觀鎖，當(dāng)多個(gè)線程嘗試使用 CAS 同時(shí)更新同一個(gè)變量時(shí)，只有其中一個(gè)線程能更新變量的值，而其它線程都失敗。注意失敗兩字，失敗意味著有操作，而悲觀鎖是等待，意味著不能同時(shí)操作。

4. 悲觀鎖機(jī)制存在的問(wèn)題

• 在多線程競(jìng)爭(zhēng)下，加鎖、釋放鎖會(huì)導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時(shí)，引起性能問(wèn)題；
• 一個(gè)線程持有鎖會(huì)導(dǎo)致其它所有需要此鎖的線程掛起；
• 如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的線程等待一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的線程釋放鎖會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)倒置，引起性能風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)比于悲觀鎖的這些問(wèn)題，另一個(gè)更加有效的鎖就是樂(lè)觀鎖。其實(shí)樂(lè)觀鎖就是：每次不加鎖而是假設(shè)沒(méi)有并發(fā)沖突而去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)椴l(fā)沖突失敗就重試，直到成功為止。

5. 公平鎖與非公平鎖

分類：根據(jù)線程獲取鎖的搶占機(jī)制，鎖可以分為公平鎖和非公平鎖。

公平鎖：表示線程獲取鎖的順序是按照線程請(qǐng)求鎖的時(shí)間早晚來(lái)決定的，也就是最早請(qǐng)求鎖的線程將最早獲取到鎖。

非公平鎖：非公平鎖則在運(yùn)行時(shí)闖入，不遵循先到先執(zhí)行的規(guī)則。

ReentrantLock：ReentrantLock 提供了公平和非公平鎖的實(shí)現(xiàn)。我們本節(jié)只做介紹，后續(xù)章節(jié)會(huì)對(duì) ReentrantLock 進(jìn)行深入的講解。

6. 獨(dú)占鎖與共享鎖

分類：根據(jù)鎖只能被單個(gè)線程持有還是能被多個(gè)線程共同持有，鎖可以分為獨(dú)占鎖和共享鎖。

獨(dú)占鎖：保證任何時(shí)候都只有一個(gè)線程能得到鎖，ReentrantLock 就是以獨(dú)占鎖方式實(shí)現(xiàn)的。

共享鎖：則可以同時(shí)由多個(gè)線程持有，例如 ReadWriteLock 讀寫(xiě)鎖，它允許一個(gè)資源可以被多線程同時(shí)進(jìn)行讀操作。

獨(dú)占鎖是一種悲觀鎖，由于每次訪問(wèn)資源都先加上互斥鎖，這限制了并發(fā)性，因?yàn)樽x操作并不會(huì)影響數(shù)據(jù)的一致性，而獨(dú)占鎖只允許在同一時(shí)間由一個(gè)線程讀取數(shù)據(jù)，其他線程必須等待當(dāng)前線程釋放鎖才能進(jìn)行讀取。

共享鎖則是一種樂(lè)觀鎖，它放寬了加鎖的條件，允許多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行讀操作。

7. 自旋鎖

由于 Java 中的線程是與操作系統(tǒng)中的線程相互對(duì)應(yīng)的，所以當(dāng)一個(gè)線程在獲取鎖（比如獨(dú)占鎖）失敗后，會(huì)被切換到內(nèi)核狀態(tài)而被掛起。

當(dāng)該線程獲取到鎖時(shí)又需要將其切換到內(nèi)核狀態(tài)而喚醒該線程。而從用戶狀態(tài)切換到內(nèi)核狀態(tài)的開(kāi)銷是比較大的，在一定程度上會(huì)影響并發(fā)性能。

自旋鎖：自旋鎖則是當(dāng)前線程在獲取鎖時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被其他線程占有，它不馬上阻塞自己，在不放棄 CPU 使用權(quán)的情況下，多次嘗試獲取（默認(rèn)次數(shù)是 10，可以使用－XX:PreBlockSpinsh 參數(shù)設(shè)置該值）。

很有可能在后面幾次嘗試中其他線程己經(jīng)釋放了鎖。如果嘗試指定的次數(shù)后仍沒(méi)有獲取到鎖則當(dāng)前線程才會(huì)被阻塞掛起。由此看來(lái)自旋鎖是使用 CPU 時(shí)間換取線程阻塞與調(diào)度的開(kāi)銷，但是很有可能這些 CPU 時(shí)間白白浪費(fèi)了。

8. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容為鎖的基礎(chǔ)概念介紹，其中對(duì)于悲觀鎖和樂(lè)觀鎖的講解，為本節(jié)核心知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)檫@兩種鎖在數(shù)據(jù)庫(kù)的領(lǐng)域也是應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于本節(jié)提到的具體的鎖實(shí)現(xiàn)，如 ReentrantLock ，我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)中會(huì)有詳細(xì)的講解。

本節(jié)內(nèi)容為基礎(chǔ)介紹，掌握本節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，能夠更好地學(xué)習(xí)后續(xù)的章節(jié)知識(shí)。