Java 编程中各种锁原理介绍

2020-11-03 0 By admin

一. synchronized 同步锁

在 JDK 1.6 之前,synchronized 是重量级锁,效率低下。
从 JDK 1.6 开始,synchronized 做了很多优化,如偏向锁、轻量级锁、自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化等技术来减少锁操作的开销。
synchronized 同步锁一共包含四种状态:无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。它会随着竞争情况逐渐升级。synchronized 同步锁可以升级但是不可以降级,目的是为了提高获取锁和释放锁的效率。

1.1、synchronized 修饰的代码块(底层原理)

通过反编译.class文件,通过查看字节码可以得到:在代码块中使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit 指令指明同步代码块的结束位置。

1.2、synchronized 修饰的方法(底层原理)

同样查看字节码可以得到:在同步方法中会包含 ACC_SYNCHRONIZED 标记符。该标记符指明了该方法是一个同步方法,从而执行相应的同步调用。

二. 对象锁、类锁、私有锁

  1. 对象锁:使用 synchronized 修饰非静态的方法以及 synchronized(this) 同步代码块使用的锁是对象锁。
  2. 类锁:使用 synchronized 修饰静态的方法以及 synchronized(class) 同步代码块使用的锁是类锁。
  3. 私有锁:在类内部声明一个私有属性如private Object lock,在需要加锁的同步块使用 synchronized(lock)

它们的特性:

  1. 对象锁具有可重入性。
  2. 当一个线程获得了某个对象的对象锁,则该线程仍然可以调用其他任何需要该对象锁的 synchronized 方法或 synchronized(this) 同步代码块。
  3. 当一个线程访问某个对象的一个 synchronized(this) 同步代码块时,其他线程对该对象中所有其它 synchronized(this) 同步代码块的访问将被阻塞,因为访问的是同一个对象锁。
  4. 每个类只有一个类锁,但是类可以实例化成对象,因此每一个对象对应一个对象锁。
  5. 类锁和对象锁不会产生竞争。
  6. 私有锁和对象锁也不会产生竞争。
  7. 使用私有锁可以减小锁的细粒度,减少由锁产生的开销。

由私有锁实现的等待/通知机制:

Object lock = new Object();
// 由等待方线程实现
synchronized (lock) {
    while (条件不满足) {
       lock.wait();
   }                         
}
// 由通知方线程实现
synchronized (lock) {
   条件发生改变
   lock.notify();                    
}

三. ReentrantLock 重入锁

ReentrantLock 是一个独占/排他锁。相对于 synchronized,它更加灵活。但是需要自己写出加锁和解锁的过程。它的灵活性在于它拥有很多特性。
ReentrantLock 需要显示地进行释放锁。特别是在程序异常时,synchronized 会自动释放锁,而 ReentrantLock 并不会自动释放锁,所以必须在 finally 中进行释放锁。

它的特性:

  1. 公平性:支持公平锁和非公平锁。默认使用了非公平锁。
  2. 可重入
  3. 可中断:相对于 synchronized,它是可中断的锁,能够对中断作出响应。
  4. 超时机制:超时后不能获得锁,因此不会造成死锁。

ReentrantLock 是很多类的基础,例如 ConcurrentHashMap 内部使用的 Segment 就是继承 ReentrantLock,CopyOnWriteArrayList 也使用了 ReentrantLock。

四. ReentrantReadWriteLock 可重入读写锁

参考 https://www.imooc.com/article/274818

它拥有读锁(ReadLock)和写锁(WriteLock),读锁是一个共享锁,写锁是一个排他锁。

它的特性:

  1. 公平性:支持公平锁和非公平锁。默认使用了非公平锁。
  2. 可重入:读线程在获取读锁之后能够再次获取读锁。写线程在获取写锁之后能够再次获取写锁,同时也可以获取读锁(锁降级)。
  3. 锁降级:先获取写锁,再获取读锁,然后再释放写锁的过程。锁降级是为了保证数据的可见性。

五. CAS (Compare And Swap 比较与交换)

上面提到的 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基于 AbstractQueuedSynchronizer (AQS),而 AQS 又是基于 CAS。CAS 的全称是 Compare And Swap(比较与交换),它是一种无锁算法。

synchronized、Lock 都采用了悲观锁的机制,而 CAS 是一种乐观锁的实现。

CAS 的特性:

  1. 通过调用 JNI 的代码实现
  2. 非阻塞算法
  3. 非独占锁

CAS 存在的问题:

  1. ABA
  2. 循环时间长开销大
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作

六. Condition 状况

Condition 用于替代传统的 Object 的 wait()、notify() 实现线程间的协作。
在 Condition 对象中,与 wait、notify、notifyAll 方法对应的分别是 await、signal 和 signalAll。
Condition 必须要配合 Lock 一起使用,一个 Condition 的实例必须与一个 Lock 绑定。
它的特性:

  1. 一个 Lock 对象可以创建多个 Condition 实例,所以可以支持多个等待队列。
  2. Condition 在使用 await、signal 或 signalAll 方法时,必须先获得 Lock 的 lock()
  3. 支持响应中断
  4. 支持的定时唤醒功能

七. Semaphore

Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 都是并发工具类。
Semaphore 可以指定多个线程同时访问某个资源,而 synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允许一个线程访问某个资源。由于 Semaphore 适用于限制访问某些资源的线程数目,因此可以使用它来做限流。
Semaphore 并不会实现数据的同步,数据的同步还是需要使用 synchronized、Lock 等实现。
它的特性:

  1. 基于 AQS 的共享模式
  2. 公平性:支持公平模式和非公平模式。默认使用了非公平模式。

八. CountDownLatch

CountDownLatch 可以看成是一个倒计数器,它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。因此,CountDownLatch 是共享锁。
CountDownLatch 的 countDown() 方法将计数器减1,await() 方法会阻塞当前线程直到计数器变为0。

本文小结了 Java 常用的一些锁及其一些特性,掌握这些锁是掌握 Java 并发编程的基础。当然,Java 的锁并不止这些,例如 ConcurrentHashMap 的分段锁(Segment),分布式环境下所使用的分布式锁。