JAVA JVM 多线程

JAVA多线程篇之锁的介绍

Posted by Jason Lee on 2019-07-21

概述

这篇文章介绍各种锁的分类。介绍的内容如下：

  1. 公平锁 / 非公平锁
  2. 可重入锁 / 不可重入锁
  3. 独享锁 / 共享锁
  4. 互斥锁 / 读写锁
  5. 乐观锁 / 悲观锁
  6. 分段锁
  7. 偏向锁 / 轻量级锁 / 重量级锁
  8. 自旋锁

上面是很多锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

锁的种类详解

公平锁 / 非公平锁

  • 公平锁
    公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
  • 非公平锁
    非公平锁是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 ReentrantLock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。

具体可以参考JAVA多线程之AQS分析(1)

可重入锁 / 不可重入锁

  • 不可重入锁：只判断这个锁有没有被锁上，只要被锁上申请锁的线程都会被要求等待。实现简单
  • 可重入锁：不仅判断锁有没有被锁上，还会判断锁是谁锁上的，当就是自己锁上的时候，那么他依旧可以再次访问临界资源，并把加锁次数加一。

synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

  • ReentrantLock与synchronized比较：
    • 1.前者使用灵活，但是必须手动开启和释放锁
    • 2.前者扩展性好，有时间锁等候（tryLock()可中断锁等候（lockInterruptibly()），锁投票等，适合用于高度竞争锁和多个条件变量的地方
    • 3.前者提供了可轮询的锁请求，可以尝试去获取锁（tryLock( )），如果失败，则会释放已经获得的锁。有完善的错误恢复机制，可以避免死锁的发生。

乐观锁 / 悲观锁

  • 悲观锁 每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

  • 乐观锁 每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式(CAS实现的)

  • 使用场景
    乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景），即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。
    但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

  • CAS算法：

    • 需要读写的内存值 V
    • 进行比较的值 A
    • 拟写入的新值 B

  • CAS 算法ABA的问题

    如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 "ABA"问题。

    JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就提供了此种能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

独享锁 / 共享锁

  • 独享锁 是指该锁一次只能被一个线程所持有。
  • 共享锁 是指该锁可被多个线程所持有。
    对于ReentrantLock而言，其是独享锁。
    但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。
    读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读 ，写写的过程是互斥的。
    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。

互斥锁 / 读写锁

  • 互斥锁
    一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待

互斥锁是在抢锁失败的情况下主动放弃CPU进入睡眠状态直到锁的状态改变时再唤醒，而操作系统负责线程调度，为了实现锁的状态发生改变时唤醒阻塞的线程或者进程，需要把锁交给操作系统管理，所以互斥锁在加锁操作时涉及上下文的切换。互斥锁实际的效率还是可以让人接受的，加锁的时间大概100ns左右，而实际上互斥锁的一种可能的实现是先自旋一段时间，当自旋的时间超过阀值之后再将线程投入睡眠中，因此在并发运算中使用互斥锁（每次占用锁的时间很短）的效果可能不亚于使用自旋锁。

  • 读写锁
    读写锁分为读锁和写锁，多个读锁之间是不需要互斥的(读操作不会改变数据，如果上了锁，反而会影响效率)，写锁和写锁之间需要互斥，也就是说，如果只是读数据，就可以多个线程同时读，但是如果你要写数据，就必须互斥，使得同一时刻只有一个线程在操作。

  • java中的读写锁 ReentrantReadWriteLock

自旋锁

  • 自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。获取锁的线程一直处于活跃状态，但是并没有执行任何有效的任务，使用这种锁会造成busy-waiting。

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

  • 存在问题
    • 如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。
    • 自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。
  • 优点：
    • 自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快
    • 非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。 （线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

偏向锁 / 轻量级锁 / 重量级锁

一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

如果测试失败,则分为两种情况：

  • 1，对象的偏向锁标志位为0（当前不是偏向锁），说明发生了竞争，已经膨胀为轻量级锁，这时使用CAS操作尝试获得锁
  • 2，偏向锁标志位为1，说明还是偏向锁不过请求的线程不是原来那个了。这时只需要使用CAS尝试把对象头偏向锁从原来那个线程指向目前求锁的线程。

  • 本质：使用CAS取代互斥同步。

  • 背景：『轻量级锁』是相对于『重量级锁』而言的，而重量级锁就是传统的锁。

  • 锁膨胀

  • 轻量级锁与重量级锁的比较：

    • 重量级锁是一种悲观锁，它认为总是有多条线程要竞争锁，所以它每次处理共享数据时，不管当前系统中是否真的有线程在竞争锁，它都会使用互斥同步来保证线程的安全；
    • 而轻量级锁是一种乐观锁，它认为锁存在竞争的概率比较小，所以它不使用互斥同步，而是使用CAS操作来获得锁，这样能减少互斥同步所使用的『互斥量』带来的性能开销。

  • 实现原理：
    对象头称为『Mark Word』，虚拟机为了节约对象的存储空间，对象处于不同的状态下，Mark Word中存储的信息也所有不同。Mark Word中有个标志位用来表示当前对象所处的状态。

  • 偏向锁作用：偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步原语，进一步提升程序性能。

    • 与轻量级锁的区别：

      • 轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作来代替互斥量的使用，从而实现同步；
      • 而偏向锁是在无竞争的情况下完全取消同步。

    • 与轻量级锁的相同点：

      • 它们都是乐观锁，都认为同步期间不会有其他线程竞争锁。

      原理：当线程请求到锁对象后，将锁对象的状态标志位改为01，即偏向模式。然后使用CAS操作将线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。以后该线程可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要。
      但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。
      + 优点：偏向锁可以提高有同步但没有竞争的程序性能。但是如果锁对象时常被多条线程竞争，那偏向锁就是多余的。偏向锁可以通过虚拟机的参数来控制它是否开启。

      具体请参考深入分析synchronized原理和锁膨胀过程

    • 三种对比

参考


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