JAVA 多線程鎖介紹

1. 前言

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

• 樂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)常涉及到的知識點，這是本節(jié)課程的核心知識點，是熱度很高的必須要掌握的知識，后續(xù)還會有專門的小節(jié)進行詳細(xì)講解；
• 公平鎖與非公平鎖的介紹，并發(fā)編程中經(jīng)常涉及到的知識點，需要掌握其概念與區(qū)別；
• 獨占鎖與共享鎖的介紹，并發(fā)編程中經(jīng)常涉及到的知識點，需要掌握其概念與區(qū)別；
• 自旋鎖的介紹，對于自旋鎖，了解其概念即可。

2. 悲觀鎖

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

悲觀鎖的實現(xiàn)：開發(fā)中常見的悲觀鎖實現(xiàn)往往依靠數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制，即在數(shù)據(jù)庫中，在對數(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，則對記錄進行操作，然后提交事務(wù)后釋放排它鎖。

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

我們用一段熟悉的代碼進行悲觀鎖的展示。

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，此時線程 1 和線程 2 必須要等待線程 3 執(zhí)行完畢方可進入，這就是悲觀鎖。

3. 樂觀鎖

定義：樂觀鎖是相對悲觀鎖來說的，它認(rèn)為數(shù)據(jù)在一般情況下不會造成沖突，所以在訪問記錄前不會加排它鎖，而是在進行數(shù)據(jù)提交更新的時候，才會正式對數(shù)據(jù)沖突與否進行檢測。

樂觀鎖的實現(xiàn)：依舊拿數(shù)據(jù)庫的鎖進行比較介紹，樂觀鎖并不會使用數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制， 一般在表中添加 version 宇段或者使用業(yè)務(wù)狀態(tài)來實現(xiàn)。 樂觀鎖直到提交時才鎖定，所以不會產(chǎn)生任何死鎖。

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

Tips：我們這里所說的對于樂觀鎖，當(dāng)多個線程嘗試使用 CAS 同時更新同一個變量時，只有其中一個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，意味著不能同時操作。

4. 悲觀鎖機制存在的問題

• 在多線程競爭下，加鎖、釋放鎖會導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時，引起性能問題；
• 一個線程持有鎖會導(dǎo)致其它所有需要此鎖的線程掛起；
• 如果一個優(yōu)先級高的線程等待一個優(yōu)先級低的線程釋放鎖會導(dǎo)致優(yōu)先級倒置，引起性能風(fēng)險。

對比于悲觀鎖的這些問題，另一個更加有效的鎖就是樂觀鎖。其實樂觀鎖就是：每次不加鎖而是假設(shè)沒有并發(fā)沖突而去完成某項操作，如果因為并發(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求鎖的時間早晚來決定的，也就是最早請求鎖的線程將最早獲取到鎖。

非公平鎖：非公平鎖則在運行時闖入，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現(xiàn)。我們本節(jié)只做介紹，后續(xù)章節(jié)會對 ReentrantLock 進行深入的講解。

6. 獨占鎖與共享鎖

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

獨占鎖：保證任何時候都只有一個線程能得到鎖，ReentrantLock 就是以獨占鎖方式實現(xiàn)的。

共享鎖：則可以同時由多個線程持有，例如 ReadWriteLock 讀寫鎖，它允許一個資源可以被多線程同時進行讀操作。

獨占鎖是一種悲觀鎖，由于每次訪問資源都先加上互斥鎖，這限制了并發(fā)性，因為讀操作并不會影響數(shù)據(jù)的一致性，而獨占鎖只允許在同一時間由一個線程讀取數(shù)據(jù)，其他線程必須等待當(dāng)前線程釋放鎖才能進行讀取。

共享鎖則是一種樂觀鎖，它放寬了加鎖的條件，允許多個線程同時進行讀操作。

7. 自旋鎖

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

當(dāng)該線程獲取到鎖時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)的開銷是比較大的，在一定程度上會影響并發(fā)性能。

自旋鎖：自旋鎖則是當(dāng)前線程在獲取鎖時，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)后仍沒有獲取到鎖則當(dāng)前線程才會被阻塞掛起。由此看來自旋鎖是使用 CPU 時間換取線程阻塞與調(diào)度的開銷，但是很有可能這些 CPU 時間白白浪費了。

8. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容為鎖的基礎(chǔ)概念介紹，其中對于悲觀鎖和樂觀鎖的講解，為本節(jié)核心知識點，因為這兩種鎖在數(shù)據(jù)庫的領(lǐng)域也是應(yīng)用十分廣泛。對于本節(jié)提到的具體的鎖實現(xiàn)，如 ReentrantLock ，我們在后續(xù)章節(jié)中會有詳細(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。