詳解java中各類鎖的機制

Posted on by

前言

總結java常見的鎖

區分各個鎖機制以及如何使用

使用方法 鎖名
考察線程是否要鎖住同步資源 樂觀鎖和悲觀鎖
鎖住同步資源後，要不要阻塞 不阻塞可以使用自旋鎖
一個線程多個流程獲取同一把鎖 可重入鎖
多個線程公用一把鎖 讀寫鎖（寫的共享鎖）
多個線程競爭要不要排隊 公平鎖與非公平鎖

1. 樂觀鎖與悲觀鎖

悲觀鎖：不能同時進行多人，執行的時候先上鎖。傳統的關系型數據庫裡邊就用到瞭很多這種鎖機制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖

樂觀鎖：通過版本號一致與否，即給數據加上版本，同步更新數據以及加上版本號。不會上鎖，判斷版本號，可以多人操作，類似生活中的搶票。每次去拿數據的時候都認為別人不會修改，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數據，可以使用版本號等機制。樂觀鎖適用於多讀的應用類型，這樣可以提高吞吐量。Redis就是利用這種check-and-set機制實現事務的

（樂觀鎖可以使用版本號機制和CAS算法實現）

通過具體案例演示悲觀鎖和樂觀鎖

在redis框架中

執行multi之前，執行命令watch

具體格式如下

watch key1 [key2]

具體代碼格式如下

127.0.0.1:6379> flushdb
OK
127.0.0.1:6379> set add 100
OK
127.0.0.1:6379> watch add
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> incrby add 20
QUEUED
127.0.0.1:6379(TX)> exec
1) (integer) 120
127.0.0.1:6379>

flushdb是清空數據庫

但如果在另一個服務器上，輸入exec，會顯示出錯

因為用的是樂觀鎖，被修改瞭之後版本會發生改變

總的來說:

悲觀鎖：單獨每個人完成事情的時候，執行上鎖解鎖。解決並發中的問題，不支持並發操作，隻能一個一個操作，效率低

樂觀鎖：每執行一件事情，都會比較數據版本號，誰先提交，誰先提交版本號

2. 公平鎖與非公平鎖

公平鎖：先來先到

非公平鎖：不是按照順序，可插隊

  • 公平鎖：效率相對低
  • 非公平鎖：效率高，但是線程容易餓死

通過這個函數Lock lock = new ReentrantLock(true);。創建一個可重入鎖，true 表示公平鎖，false 表示非公平鎖。默認非公平鎖

通過查看源碼

帶有參數的ReentrantLock(true)為公平鎖

ReentrantLock(false)為非公平鎖

主要是調用NonfairSync()與FairSync()

public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    /**
     * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
     * given fairness policy.
     *
     * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
     */
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

具體其非公平鎖與公平鎖的源碼

查看公平鎖的源碼

static final class FairSync extends Sync {
   private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

  /**
  * Acquires only if reentrant or queue is empty.
   */
  final boolean initialTryLock() {
   Thread current = Thread.currentThread();
   int c = getState();
   if (c == 0) {
   if (!hasQueuedThreads() && compareAndSetState(0, 1)) {
     setExclusiveOwnerThread(current);
      return true;
    }
    } else if (getExclusiveOwnerThread() == current) {
      if (++c < 0) // overflow
          throw new Error("Maximum lock count exceeded");
         setState(c);
         return true;
       }
    return false;
}

通過代碼實例具體操作

//第一步  創建資源類，定義屬性和和操作方法
class LTicket {
    //票數量
    private int number = 30;

    //創建可重入鎖
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    //賣票方法
    public void sale() {
        //上鎖
        lock.lock();
        try {
            //判斷是否有票
            if(number > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" ：賣出"+(number--)+" 剩餘："+number);
            }
        } finally {
            //解鎖
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class LSaleTicket {
    //第二步 創建多個線程，調用資源類的操作方法
    //創建三個線程
    public static void main(String[] args) {

        LTicket ticket = new LTicket();

new Thread(()-> {
    for (int i = 0; i < 40; i++) {
        ticket.sale();
    }
},"AA").start();

        new Thread(()-> {
            for (int i = 0; i < 40; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"BB").start();

        new Thread(()-> {
            for (int i = 0; i < 40; i++) {
                ticket.sale();
            }
        },"CC").start();
    }
}

結果截圖如下

都是A線程執行，而BC線程都沒執行到，出現瞭非公平鎖

具體改變其設置可以通過可重入鎖中的一個有參構造方法

修改代碼為private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

代碼截圖為

3. 可重入鎖

可重入鎖也叫遞歸鎖

而且有瞭可重入鎖之後，破解第一把之後就可以一直進入到內層結構

Object o = new Object();
new Thread(()->{
    synchronized(o) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 外層");

        synchronized (o) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 中層");

            synchronized (o) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 內層");
            }
        }
    }

},"t1").start();

synchronized (o)代表鎖住當前{ }內的代碼塊

以上都是synchronized鎖機制

下面講解lock鎖機制

public class SyncLockDemo {

    public synchronized void add() {
        add();
    }

    public static void main(String[] args) {
        //Lock演示可重入鎖
        Lock lock = new ReentrantLock();
        //創建線程
        new Thread(()->{
            try {
                //上鎖
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 外層");

                try {
                    //上鎖
                    lock.lock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 內層");
                }finally {
                    //釋放鎖
                    lock.unlock();
                }
            }finally {
                //釋放做
                lock.unlock();
            }
        },"t1").start();

        //創建新線程
        new Thread(()->{
            lock.lock();
            System.out.println("aaaa");
            lock.unlock();
        },"aa").start();
        }
 }

在同一把鎖中的嵌套鎖，內部嵌套鎖沒解鎖還是可以輸出，但是如果跳出該線程，執行另外一個線程就會造成死鎖

要把握上鎖與解鎖的概念，都要寫上

4. 讀寫鎖（共享鎖與獨占鎖）

讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨占鎖

  • 共享鎖的一種具體實現
  • 讀寫鎖管理一組鎖，一個是隻讀的鎖，一個是寫鎖。

讀寫鎖：一個資源可以被多個讀線程訪問，也可以被一個寫線程訪問，但不能同時存在讀寫線程，讀寫互斥，讀讀共享(寫鎖獨占，讀鎖共享，寫鎖優先級高於讀鎖)

讀寫鎖ReentrantReadWriteLock

讀鎖為ReentrantReadWriteLock.ReadLock，readLock()方法

寫鎖為ReentrantReadWriteLock.WriteLock，writeLock()方法

創建讀寫鎖對象private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

寫鎖 加鎖 rwLock.writeLock().lock();，解鎖為rwLock.writeLock().unlock();

讀鎖 加鎖rwLock.readLock().lock();，解鎖為rwLock.readLock().unlock();

案例分析：

模擬多線程在map中取數據和讀數據

完整代碼如下

//資源類
class MyCache {
    //創建map集合
    private volatile Map<String,Object> map = new HashMap<>();

    //創建讀寫鎖對象
    private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    //放數據
    public void put(String key,Object value) {
        //添加寫鎖
        rwLock.writeLock().lock();

        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在寫操作"+key);
            //暫停一會
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            //放數據
            map.put(key,value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 寫完瞭"+key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //釋放寫鎖
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    //取數據
    public Object get(String key) {
        //添加讀鎖
        rwLock.readLock().lock();
        Object result = null;
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在讀取操作"+key);
            //暫停一會
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            result = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 取完瞭"+key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //釋放讀鎖
            rwLock.readLock().unlock();
        }
        return result;
    }
}

public class ReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyCache myCache = new MyCache();
        //創建線程放數據
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(()->{
                myCache.put(num+"",num+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);

        //創建線程取數據
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(()->{
                myCache.get(num+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

5. 互斥鎖

互斥鎖是獨占鎖的一種常規實現，是指某一資源同時隻允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//創建互斥鎖並初始化

pthread_mutex_lock(&mutex);//對線程上鎖，此時其他線程阻塞等待該線程釋放鎖

//要執行的代碼段

pthread_mutex_unlock(&mutex);//執行完後釋放鎖

6. 自旋鎖

查看百度百科的解釋，具體如下 ：

它是為實現保護共享資源而提出一種鎖機制。其實，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為瞭解決對某項資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多隻能有一個保持者，也就說，在任何時刻最多隻能有一個執行單元獲得鎖。但是兩者在調度機制上略有不同。對於互斥鎖，如果資源已經被占用，資源申請者隻能進入睡眠狀態。但是自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，調用者就一直循環在那裡看是否該自旋鎖的保持者已經釋放瞭鎖，”自旋”一詞就是因此而得名

通俗的來說就是一個線程在獲取鎖的時候，如果鎖已經被其它線程獲取，那麼該線程將循環等待，然後不斷的判斷鎖是否能夠被成功獲取，直到獲取到鎖才會退出循環。獲取鎖的線程一直處於活躍狀態，但是並沒有執行任何有效的任務。

其特點:

  1. 持有鎖時間等待過長，消耗CPU
  2. 無法滿足等待時間最長的線程優先獲取鎖。不公平的鎖就會存在“線程饑餓”問題
  3. 自旋鎖不會使線程狀態發生切換，處於用戶態（不會到內核態進行線程的狀態轉換），一直都是活躍，不會使線程進入阻塞狀態，減少瞭不必要的上下文切換，執行速度快。

其模擬算法如下

do{
	b=1;
	while(b){
		lock(bus);
		b = test_and_set(&lock);
		unlock(bus);
	}
	//臨界區
	//lock = 0;
	//其餘部分
}while(1)

7. 無鎖 / 偏向鎖 / 輕量級鎖 / 重量級鎖

  • 無鎖：沒有對資源進行鎖定，所有的線程都能訪問並修改同一個資源，但同時隻有一個線程能修改成功
  • 偏向鎖：是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那麼該線程會自動獲取鎖，降低獲取鎖的代價
  • 輕量級鎖：鎖是偏向鎖的時候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高性能
  • 重量級鎖：線程並發加劇，線程的自旋超過瞭一定次數，或者一個線程持有鎖，一個線程在自旋，還有線程要訪問

以上就是詳解java中各類鎖的機制的詳細內容，更多關於java鎖的機制的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

推薦閱讀：