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java多线程学习笔记-java锁

JAVA 笔记线程学习数据

2023-03-02 10:30:18 时间

## 一、引言 ##

Java中往往是按照是否含有某一特性来定义锁，我们通过特性将锁进行分组归类，再使用对比的方式进行介绍，帮助大家更快捷的理解相关知识。下面给出本文内容的总体分类目录：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 二、各类锁介绍 ##

**1、乐观锁：** 乐观锁总是认为不存在并发问题，每次去取数据的时候，总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁。但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。

> **（1）CAS操作：** CAS（Compare and Swap 比较并交换），当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。  
> 　　CAS操作中包含三个操作数——需要读写的内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B，否则处理器不做任何操作。  
> **（2） 数据版本机制：** 实现数据版本一般有两种，第一种是使用版本号，第二种是使用时间戳。以版本号方式为例。  
> 　　版本号方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

缺点：

> **（1）ABA问题：** CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。  
> **（2）循环时间长开销大：** CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。  
> **（3）只能保证一个共享变量的原子操作：** 对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。

**2、悲观锁：** 悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一份数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁并发操作一定会出问题。

> （1）在对任意记录进行修改前，先尝试为该记录加上排他锁（exclusive locking）。  
> （2）如果加锁失败，说明该记录正在被修改，那么当前查询可能要等待或者抛出异常。具体响应方式由开发者根据实际需要决定。  
> （3）如果成功加锁，那么就可以对记录做修改，事务完成后就会解锁了。  
> （4）期间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作，都会等待我们解锁或直接抛出异常。

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**乐观锁与悲观锁比较及适用场景：**

> （1）简单的来说CAS适用于写比较少的情况下（多读场景，冲突一般较少），synchronized适用于写比较多的情况下（多写场景，冲突一般较多）
> 
>  *  对于资源竞争较少（线程冲突较轻）的情况，使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源；而CAS基于硬件实现，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能。
>  *  对于资源竞争严重（线程冲突严重）的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。

**3、独享锁/共享锁**

> **（1）独享锁：** 该锁一次只能被一个线程所持有。如synchronized和ReetrantLock锁；
> 
> **（2）共享锁：** 该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加独享锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

**4、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。  
（1）互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock。  
（2）读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock。

**5、可重入锁：** 可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。可重入锁的一个好处是**可一定程度避免死锁**， ReetrantLock，Synchronized均为可重入锁。

**6、公平锁和非公平锁**  
**（1）公平锁：** 指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。  
**(2)非公平锁：** 指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。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。

> 对于Java ReetrantLock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。

**7、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。

**补：ConcurrentHashMap的实现原理**

**8、偏向锁/轻量级锁/重量级锁**

> （1）偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
> 
> （2）轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
> 
> （3）重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让他申请的线程进入阻塞，性能降低。

**9、自旋锁：** 在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。

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