一起聊聊Java中13种锁的实现方式

2022-11-13 14:11:45 java 方式 聊聊

最近有很多小伙伴给我留言，分布式系统时代，线程并发，资源抢占，"锁" 慢慢变得很重要。那么常见的锁都有哪些？

今天Tom哥就和大家简单聊聊这个话题。

1、悲观锁

正如其名，它是指对数据修改时持保守态度，认为其他人也会修改数据。因此在操作数据时，会把数据锁住，直到操作完成。悲观锁大多数情况下依靠数据库的锁机制实现，以保证操作最大程度的独占性。如果加锁的时间过长，其他用户长时间无法访问，影响程序的并发访问性，同时这样对数据库性能开销影响也很大，特别是长事务而言，这样的开销往往无法承受。

如果是单机系统，我们可以采用 JAVA 自带的 synchronized 关键字，通过添加到方法或同步块上，锁住资源 如果是分布式系统，我们可以借助数据库自身的锁机制来实现。

select * from 表名 where id= #{id} for update

使用悲观锁的时候，我们要注意锁的级别，Mysql innodb 在加锁时，只有明确的指定主键或（索引字段）才会使用 行锁​；否则，会执行 表锁，将整个表锁住，此时性能会很差。在使用悲观锁时，我们必须关闭 mysql 数据库的自动提交属性，因为mysql默认使用自动提交模式。悲观锁适用于写多的场景，而且并发性能要求不高。

2、乐观锁

乐观锁，从字面意思也能猜到个大概，在操作数据时非常乐观，认为别人不会同时修改数据，因此乐观锁不会上锁 只是在 提交更新​ 时，才会正式对数据的冲突与否进行检测。如果发现冲突了，则返回错误信息，让用户决定如何去做，fail-fast 机制 。否则，执行本次操作。

分为三个阶段：数据读取、写入校验、数据写入。

如果是单机系统，我们可以基于JAVA 的 CAS来实现，CAS 是一种原子操作，借助硬件的比较并交换来实现。

如果是分布式系统，我们可以在数据库表中增加一个 版本号 字段，如：version。

update 表 
set ... , version = version +1 
where id= #{id} and version = #{version}

操作前，先读取记录的版本号，更新时，通过SQL语句比较版本号是否一致。如果一致，则更新数据。否则会再次读取版本，重试上面的操作。

3、分布式锁

JAVA 中的 synchronized​ 、ReentrantLock 等，都是解决单体应用单机部署的资源互斥问题。随着业务快速发展，当单体应用演化为分布式集群后，多线程、多进程分布在不同的机器上，原来的单机并发控制锁策略失效

此时我们需要引入 分布式锁，解决跨机器的互斥机制来控制共享资源的访问。

分布式锁需要具备哪些条件：

  • 与单机系统一样的资源互斥功能，这是锁的基础
  • 高性能获取、释放锁
  • 高可用
  • 具备可重入性
  • 有锁失效机制，防止死锁
  • 非阻塞，不管是否获得锁，要能快速返回

实现方式多种多样，基于 数据库、Redis​、以及 ZooKeeper等，这里讲下主流的基于Redis的实现方式：

加锁

SET key unique_value  [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]

通过原子命令，如果执行成功返回 1，则表示加锁成功。注意：unique_value 是客户端生成的唯一标识，区分来自不同客户端的锁操作 解锁要特别注意，先判断 unique_value 是不是加锁的客户端，是的话才允许解锁删除。毕竟我们不能删除其他客户端加的锁。

解锁：解锁有两个命令操作，需要借助 lua 脚本来保证原子性。

// 先比较 unique_value 是否相等，避免锁的误释放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

借助 Redis 的高性能，Redis 实现分布式锁也是目前主流实现方式。但任何事情有利有弊，如果加锁的服务器宕机了，当slave 节点还没来得及数据备份，那不是别的客户端也可以获得锁。

为了解决这个问题，Redis 官方设计了一个分布式锁 Redlock。

基本思路：让客户端与多个独立的 Redis 节点并行请求申请加锁，如果能在半数以上的节点成功地完成加锁操作，那么我们就认为，客户端成功地获得分布式锁，否则加锁失败。

4、可重入锁

可重入锁，也叫做递归锁，是指在同一个线程在调外层方法获取锁的时候，再进入内层方法会自动获取锁。

对象锁或类锁内部有计数器，一个线程每获得一次锁，计数器 +1；解锁时，计数器 -1。

有多少次加锁，就要对应多少次解锁，加锁与解锁成对出现。

Java 中的 ReentrantLock​ 和 synchronized 都是 可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

5、自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地在循环体内执行，当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区。自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不断增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，会占用CPU时间片。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

自旋锁缺点：

  • 可能引发死锁。
  • 可能占用 CPU 的时间过长。

我们可以设置一个 循环时间​ 或 循环次数​，超出阈值时，让线程进入阻塞状态，防止线程长时间占用 CPU 资源。JUC 并发包中的 CAS 就是采用自旋锁，compareAndSet 是CAS操作的核心，底层利用Unsafe对象实现的。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapint(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

如果内存中 var1 对象的var2字段值等于预期的 var5，则将该位置更新为新值（var5 + var4），否则不进行任何操作，一直重试，直到操作成功为止。

CAS 包含了Compare和Swap 两个操作，如何保证原子性呢？CAS 是由 CPU 支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行控制。

特别注意，CAS 可能导致 ABA 问题，我们可以引入递增版本号来解决。

6、独享锁

独享锁，也有人叫它排他锁。无论读操作还是写操作，只能有一个线程获得锁，其他线程处于阻塞状态。

缺点：读操作并不会修改数据，而且大部分的系统都是 读多写少​，如果读读之间互斥，大大降低系统的性能。下面的 共享锁 会解决这个问题。

像Java中的 ReentrantLock​ 和 synchronized 都是独享锁。

7、共享锁

共享锁是指允许多个线程同时持有锁，一般用在读锁上。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的。读写，写读 ，写写的则是互斥的。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。

ReentrantReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。

8、读锁/写锁

如果对某个资源是读操作，那多个线程之间并不会相互影响，可以通过添加读锁实现共享。如果有修改动作，为了保证数据的并发安全，此时只能有一个线程获得锁，我们称之为 写锁。读读是共享的；而 读写、写读 、写写 则是互斥的。

像 Java中的 ReentrantReadWriteLock 就是一种 读写锁。

9、公平锁/非公平锁

公平锁：多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，所有线程都在队列里排队，先来先获取的公平性原则。

优点：所有的线程都能得到资源，不会饿死在队列中。

缺点：吞吐量会下降很多，队列里面除了第一个线程，其他的线程都会阻塞，CPU 唤醒下一个阻塞线程有系统开销。

非公平锁：多个线程不按照申请锁的顺序去获得锁，而是同时以插队方式直接尝试获取锁，获取不到（插队失败），会进入队列等待（失败则乖乖排队），如果能获取到（插队成功），就直接获取到锁。

优点：可以减少 CPU 唤醒线程的开销，整体的吞吐效率会高点。

缺点：可能导致队列中排队的线程一直获取不到锁或者长时间获取不到锁，活活饿死。

Java 多线程并发操作，我们操作锁大多时候都是基于 Sync​ 本身去实现的，而 Sync 本身却是 ReentrantLock​ 的一个内部类，Sync 继承 AbstractQueuedSynchronizer。

像 ReentrantLock 默认是非公平锁，我们可以在构造函数中传入 true，来创建公平锁。

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

10、可中断锁/不可中断锁

可中断锁：指一个线程因为没有获得锁在阻塞等待过程中，可以中断自己阻塞的状态。不可中断锁：恰恰相反，如果锁被其他线程获取后，当前线程只能阻塞等待。如果持有锁的线程一直不释放锁，那其他想获取锁的线程就会一直阻塞。

内置锁 synchronized 是不可中断锁，而 ReentrantLock 是可中断锁。

ReentrantLock获取锁定有三种方式：

  • lock()， 如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于阻塞状态，直到该线程获取锁。
  • tryLock()， 如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false。
  • tryLock(long timeout,TimeUnit unit)， 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false。
  • lockInterruptibly()，如果获取了锁定立即返回；如果没有获取锁，线程处于阻塞状态，直到获取锁或者线程被别的线程中断。

更多：https://GitHub.com/aalansehaiyang/p-java-proof/blob/master/resource/17.md。

11、分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，目的是细化锁的粒度，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。

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（jdk7 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加锁，而是先通过hashcode知道要放在哪一个分段中，然后对这个分段加锁，所以当多线程put时，只要不是放在同一个分段中，可支持并行插入。

12、锁升级（无锁|偏向锁|轻量级锁|重量级锁）

JDK 1.6之前，synchronized 还是一个重量级锁，效率比较低。但是在JDK 1.6后，JVM为了提高锁的获取与释放效率对 synchronized 进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁 ，从此以后锁的状态就有了四种：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。这四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可降级。

无锁

无锁并不会对资源锁定，所有的线程都可以访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。也就是我们常说的乐观锁。

偏向锁

偏向于第一个访问锁的线程，初次执行synchronized代码块时，通过 CAS 修改对象头里的锁标志位，锁对象变成偏向锁。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在 Mark Word​ 里存储锁偏向的线程 ID。在线程进入和退出同步块时不再通过 CAS 操作来加锁和解锁，而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令即可。

执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。当线程第二次再执行同步代码块时，线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己（持有锁的线程ID也在对象头里），如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁，这里不需要重新加锁，偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。关于偏向锁的撤销，需要等待全局安全点，即在某个时间点上没有字节码正在执行时，它会先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，并撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为01）或轻量级锁（标志位为00）的状态。

偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时，即不存在多个线程的竞争时，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗。

轻量级锁

当前锁是偏向锁，此时有多个线程同时来竞争锁，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，通过自旋方式来获取锁。

轻量级锁的获取有两种情况：

  • 当关闭偏向锁功能时。
  • 多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。一旦有第二个线程加入锁竞争，偏向锁就升级为轻量级锁（自旋锁）。

在轻量级锁状态下继续锁竞争，没有抢到锁的线程将自旋，不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作，其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。先比较当前锁标志位是否为“释放”，如果是则将其设置为“锁定”，此过程是原子性。如果抢到锁，然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。

重量级锁

如果线程的竞争很激励，线程的自旋超过了一定次数（默认循环10次，可以通过虚拟机参数更改），将轻量级锁升级为重量级锁（依然是 CAS  修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID），当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资。

13、锁优化技术（锁粗化、锁消除）

锁粗化就是告诉我们任何事情都有个度，有些情况下我们反而希望把很多次锁的请求合并成一个请求，以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。

举个例子：有个循环体，内部。

for(int i=0;i<size;i++){
    synchronized(lock){
        ...业务处理，省略
    }
}

经过锁粗化的代码如下：

synchronized(lock){
    for(int i=0;i<size;i++){
        ...业务处理，省略
    }
}

锁消除指的是在某些情况下，JVM 虚拟机如果检测不到某段代码被共享和竞争的可能性，就会将这段代码所属的同步锁消除掉，从而到底提高程序性能的目的。

锁消除的依据是逃逸分析的数据支持，如 StringBuffer​ 的 append()​ 方法，或 Vector​ 的 add() 方法，在很多情况下是可以进行锁消除的，比如以下这段代码：

public String method() {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sb.append("i:" + i);
    }
    return sb.toString();
}

以上代码经过编译之后的字节码如下：

从上述结果可以看出，之前我们写的线程安全的加锁的 StringBuffer​ 对象，在生成字节码之后就被替换成了不加锁不安全的 StringBuilder​ 对象了，原因是 StringBuffer 的变量属于一个局部变量，并且不会从该方法中逃逸出去，所以我们可以使用锁消除（不加锁）来加速程序的运行。

到此这篇关于一起聊聊Java中13种锁的实现方式的文章就介绍到这了,更多相关Java锁内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

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