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不得不说的锁事

java it书童 2021-01-09 17:14:41 0赞 0踩 329阅读 0评论

内置锁的能力不足以满足需求

锁是一种工具，用于控制对共享资源的访问

Lock 和 synchronized，是最常见的锁，都可以达到线程安全的目的，但在使用和功能上有较大的不同

Lock 并不是用来替代 synchronized 的，而是当 synchronized 不适用时，才使用 Lock 来提供高级功能

Lock 接口最常见的实现类是 ReentrantLock

通常情况下，Lock 只允许一个线程来访问共享资源，不过有时候，一些特殊的实现也可允许并发访问，如 ReadWriteLock 中的 ReadLock

为什么 synchronized 不够用？

  1. 效率低：锁的释放情况少，试图获得锁时不能设定超时、不能中断一个正在试图获得锁的线程

  2. 不够灵活：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象）

  3. 无法知道是否成功获取到锁

Lock 主要方法

lock

lock() 最普通的获取锁，如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

Lock 锁不会像 synchronized 一样在异常时自动释放锁。基于此，必须在 finally 中释放锁，以保证发生异常时锁一定会被释放

package juc.lock.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MustUnlock {

    private static Lock lock =new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        lock.lock();
        try {
            // 获取本锁保护的资源
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行任务");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

lock() 方法不能被中断，这会带来很大的隐患：一旦陷入死锁，lock() 就会陷入永久等待

tryLock

tryLock() 用来尝试获取锁，如果当前锁没有被其他线程占用，则获取成功，返回 true, 否则返回 false

相比于 lock(), 功能更强大，我们可根据是否获取锁来决定后续程序的行为

该方法会立即返回，即使在拿不到锁时也不会一直在那等

tryLock(long time, TimeUnit unit): 拿不到锁会等待，超时就放弃

package juc.lock.lock;


import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 用 tryLock 来避免死锁
 */
public class TryLockDeadLock implements Runnable {

    int flag = 1;
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        TryLockDeadLock r1 = new TryLockDeadLock();
        TryLockDeadLock r2 = new TryLockDeadLock();
        r1.flag = 1;
        r2.flag = 2;
        new Thread(r1).start();
        new Thread(r2).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (flag == 1) {
                try {
                    if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("线程1获取到了锁1");
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            if (lock2.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                                try {
                                    System.out.println("线程1获取到了锁2");
                                    System.out.println("线程1成功获取到了两把锁");
                                    break;
                                } finally {
                                    lock2.unlock();
                                }
                            } else {
                                System.out.println("线程1获取锁2失败，已重试");
                            }
                        } finally {
                            lock1.unlock();
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                        }
                    } else {
                        System.out.println("线程1获取锁1失败，已重试");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        if (flag == 2) {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                try {
                    if (lock2.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("线程2获取到了锁2");
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                                try {
                                    System.out.println("线程2获取到了锁1");
                                    System.out.println("线程2成功获取到了两把锁");
                                    break;
                                } finally {
                                    lock1.unlock();
                                }
                            } else {
                                System.out.println("线程2获取锁1失败，已重试");
                            }
                        } finally {
                            lock2.unlock();
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                        }
                    } else {
                        System.out.println("线程2获取锁2失败，已重试");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

}

获取锁时被中断

package juc.lock.lock;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockInterruptibly implements Runnable {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        LockInterruptibly lockInterruptibly = new LockInterruptibly();
        Thread thread0 = new Thread(lockInterruptibly);
        Thread thread1 = new Thread(lockInterruptibly);
        thread0.start();
        thread1.start();

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 两个线程分别中断看下效果
        //thread0.interrupt();
        thread1.interrupt();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 尝试获取锁");
        try {
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了锁");
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠期间被中断了");
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放了锁");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁期间被中断了");
        }
    }
}

两个线程分别可能在获得锁或者睡眠期间被中断

lockInterruptibly()：相当于 tryLock(long time, TimeUnit unit) 把超时时间设置为无限。在等待锁的过程中，线程可以被中断

锁的分类

锁的分类是从不同角度去看的，这些分类并不是互斥的，即多个类型可以并存：有可能一个锁，同时属于两种类型。如：ReentrantLock 既是互斥锁，又是可重入锁

悲观锁

乐观锁（非互斥同步锁）和悲观锁（互斥同步锁）

互斥同步锁的劣势：

  • 阻塞和唤醒带来的性能劣势

  • 可能陷入永久阻塞

  • 优先级反转，优先级低的线程拿到了锁，优先级高的只能等

悲观锁：如果我不锁住这个资源，别人就会来争抢，造成数据结果错误。所以在每次获取并修改数据时，会把数据锁住，让别人无法访问该数据

Java 中悲观锁的实现就是 synchronized 和 Lock 相关类

悲观锁的执行流程：

乐观锁

乐观锁：认为自己在处理操作时不会有其他线程来干扰，所以并不会锁住被操作对象。在更新数据时，去对比修改期间数据有没有被其他人改变过

如果没被改变，说明真的只有自己在操作，就正常去修改数据

如果数据和我一开始拿到的不一样，说明其他人在这段时间内改过数据，我就不能继续刚才的更新数据过程了，会选择高难度、报错、重试等策略

乐观锁的实现一般都是利用 CAS 算法来实现的

乐观锁的典型例子：原子类、并发容器

两者对比

开销对比：

悲观锁的原始开销要高于乐观锁，但是特点是一劳永逸，临界区持锁时间就算越来越差，也不会对互斥锁的开销造成影响

相反，虽然乐观锁一开始的开销比悲观锁小，但是如果自旋时间很长或者不停重试，那么消耗的资源也会越来越多

使用场景：

悲观锁：适合并发写入多的情况，适用于临界区持锁时间比较长的情况，悲观锁可以避免大量的无用自旋等消耗，典型情况：

  • 临界区有 IO 操作

  • 临界区代码复杂或者循环量大

  • 临界区竞争非常激烈

乐观锁：适合并发写入少，大部分是读取的场景，不加锁能让读取性能大幅提高

可重入锁和非可重入锁

package juc.lock.reentrantlock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 演示多线程预定电影院座位
 */
public class CinemaBookSeat {

    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void bookSeat() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始预定座位");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成预定座位");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(CinemaBookSeat::bookSeat).start();
        new Thread(CinemaBookSeat::bookSeat).start();
        new Thread(CinemaBookSeat::bookSeat).start();
        new Thread(CinemaBookSeat::bookSeat).start();
    }

}

什么是可重入: 可以重复获取同一把锁，不需要先释放

好处：

  • 避免死锁: 适用于一个线程需要多次获取同一把锁

  • 提升封装性: 不用频繁地释放与加锁

package juc.lock.reentrantlock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class GetHoldCount {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 多次获取同一把锁
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        
        // 释放同一把锁
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
    }

}


package juc.lock.reentrantlock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class RecursionDemo {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void accessResource() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("已经对资源进行了处理");
            // 递归处理，每次递归都再次加锁
            if (lock.getHoldCount() < 5) {
                System.out.println(lock.getHoldCount());
                accessResource();
                System.out.println(lock.getHoldCount());
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        accessResource();
    }

}

公平锁与非公平锁

公平指的是按照线程请求的顺序来分配锁

非公平指的是不完全按照请求的顺序，在一定情况下，可以插队。并不提倡插队行为，在合适的时机才插队，而不是盲目插队

那么，什么是合适的时机呢？为什么要有非公平锁？

为了提高效率，避免唤醒带来的空档期

线程A释放锁，唤醒线程B，线程B唤醒需要时间开销，在这个空档期可以让正好处于唤醒状态的线程C占用

如果在创建 ReentrantLock 时，参数为 true, 就是公平锁

公平锁演示：

package juc.lock.reentrantlock;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 演示公平和不公平两种情况
 */
public class FairLock {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PrintQueue printQueue = new PrintQueue();
        int num = 3;
        Thread thread[] = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            thread[i] = new Thread(new Job(printQueue));
        }

        for (int i = 0; i < num; i++) {
            thread[i].start();
            Thread.sleep(100);
        }
    }

}

class Job implements Runnable {

    private PrintQueue printQueue;

    public Job(PrintQueue printQueue) {
        this.printQueue = printQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始打印");
        printQueue.printJob(new Object());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始完毕");
    }
}

class PrintQueue {
    private Lock queueLock = new ReentrantLock(true);

    public void printJob(Object document) {
        // 同一文档打印两次
        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10) + 1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在打印，需要 " + duration + "秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }

        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10) + 1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在打印，需要 " + duration + "秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }
    }
}

一个个有序排队

如果设置为非公平锁，会是怎样的情况？

private Lock queueLock = new ReentrantLock(false);

两者对比：

共享锁和排他锁

排他锁: 又称为独占锁、独享锁

共享锁：又称为读锁，获得共享锁后，可以查看但无法修改和删除数据，其他线程此时也可以获取到共享锁，同样也只能查看

典型是读写锁 RenentrantReadWriteLock，有两把锁，读锁是共享锁，写锁是独享锁

读写锁的规则：

  • 多个线程只申请读锁，都可以申请到

  • 如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，会一直等待释放读锁

  • 如果有一个线程已经占用了写锁，其他申请读或写锁的线程，都会一直等待

总结：要么是一个多个线程同时有读锁，要么是一个线程有写锁

package juc.lock.readwrite;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class CinemaReadWrite {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 得到了读锁，正在读取");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 得到了写锁，正在写入");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 读锁可以同时持有
        new Thread(CinemaReadWrite::read, "Thread1").start();
        new Thread(CinemaReadWrite::read, "Thread2").start();
        
        // 写锁只能挨个持有
        new Thread(CinemaReadWrite::write, "Thread3").start();
        new Thread(CinemaReadWrite::write, "Thread4").start();
    }

}

读锁和写锁的交互方式

非公平：假设线程2和线程4正在同时读取，线程3想要写入，拿不到锁，于是进入等待队列，线程5不在队列里，现在过来想要读取。此时有两种策略

策略1：线程5插队

读可以插队，效率高

容易造成饥饿，如果后面一直有读的线程，就一直排在线程3之前，那么线程3一直获取不到写锁

策略2：线程5排队

避免饥饿

策略的选择取决于具体锁的实现，ReentrantReadWriteLock 的实现是选择了策略2，不允许插队

读锁插队策略

公平锁：不允许插队

非公平锁：

  • 写锁可以随时插队，写锁的获取并不容易

  • 读锁仅在等待队列头结点不是想获取写锁的线程时可以插队

演示读锁插队：

package juc.lock.readwrite;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class NonfairBargeDemo {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(false);

    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始尝试获取读锁");
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 得到读锁, 正在读取");
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始尝试获取写锁");
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 得到写锁, 正在写入");
            try {
                Thread.sleep(40);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(NonfairBargeDemo::write, "Thread1").start();
        new Thread(NonfairBargeDemo::read, "Thread2").start();
        new Thread(NonfairBargeDemo::read, "Thread3").start();
        new Thread(NonfairBargeDemo::write, "Thread4").start();
        new Thread(NonfairBargeDemo::read, "Thread5").start();
        new Thread(new Runnable() {
            final int num = 1000;
            @Override
            public void run() {
                Thread[] thread = new Thread[num];
                for (int i = 0; i < num; i++) {
                    thread[i] = new Thread(NonfairBargeDemo::read, "子线程创建的 Thread " + i);
                }
                for (int i = 0; i < num; i++) {
                    thread[i].start();
                }
            }
        }).start();
    }

}

锁的升降级

支持锁的降级，不支持升级

场景：先写日志，再读日志。如果一直占用写锁，会影响其他线程的读取，降级为读锁，其他线程就可以共享读锁

writeLock.lock();
try {
    // 降级为读锁：在不释放写锁的情况下，获取读锁
    readLock.lock();
} finally {
    writeLock.unlick();
    readLock.unlock();
}

自旋锁和阻塞锁

阻塞和唤醒一个 Java 线程需要操作系统切换 CPU 状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间

如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失

如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃 CPU 的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁

而为了让当前线程”稍等一下“，我们需要让当前线程自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁

阻塞锁和自旋锁相反，阻塞锁如果遇到没拿到锁的情况，会直接把线程阻塞，直到被唤醒

自旋锁的缺点：

  • 如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白浪费处理器资源

  • 在自旋的过程中，一直消耗 cpu，虽然自旋锁的起始开销低于悲观锁，但是随着自旋时间的增长，开销也是线性增长的

java 1.5 版本及以上的并发框架 java.util.concurrent 的 atmoic 包下的类基本都是自旋锁的实现

AtomicInteger 的实现：自旋锁的实现原理是 CAS, AtomicInteger 中调用 unsafe 进行自增操作的源码中的 do-while 循环就是一个自旋操作，如果修改过程中遇到其他线程竞争导致没修改成功，就在 while 里死循环，直至修改成功

自定义一个自旋锁

package juc.lock.spinlock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class SpinLock {

    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始尝试获取自旋锁");
                spinLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了自旋锁");
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放了自旋锁");
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        while (!sign.compareAndSet(null, current)) {
            System.out.println(current.getName() + " 自旋获取失败，再次尝试");
        }
    }

    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(current, null);
    }

}

结果：

Thread-0 开始尝试获取自旋锁
Thread-1 开始尝试获取自旋锁
Thread-0 获取到了自旋锁
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
... 一直自旋
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 自旋获取失败，再次尝试
Thread-1 获取到了自旋锁
Thread-0 释放了自旋锁
Thread-1 释放了自旋锁

自旋锁的适用场景：

  • 一般用于多核的服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞锁的效率高

  • 适用于临界区比较短的情况

可中断锁

如果某一线程 A 正在执行锁中的代码，另一线程 B 正在等待获取该锁，由于等待时间过长，线程 B 不想等了，想先处理其他事，我们可以中断它，就是可中断锁

在 java 中，synchronized 是不可中断锁，Lock 是可中断锁

锁优化

JVM 对锁的优化：

自旋锁：自旋一定次数后，如果还不成功，会转为阻塞锁

锁消除：消除没必要的锁

开发时，如何优化锁：

  • 缩小同步代码块

  • 尽量不要锁住方法

  • 减少请求锁的次数

  • 锁中尽量不要再包含锁

关于我
一个文科出身的程序员，追求做个有趣的人，传播有价值的知识，微信公众号主要分享读书思考心得，不会有代码类文章，非程序员的同学请放心订阅
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