Java各类锁对比及应用案例（乐观锁、悲观锁、公平锁、非公平锁、可重入锁、读写锁、自旋锁）

Java各类锁对比及应用案例

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简介

• 乐观锁、悲观锁
• 公平锁、非公平锁
• 可重入锁
• 读写锁
• 自旋锁

案例介绍

我们将围绕卖票案例,用各种锁去解决卖票重复和溢出等情况

• 经典的卖票案例（不加锁）

public class SellDemo {
    /**
     * 库存
     */
    static int ticketSum = 100;
    /**
     * 卖票
     */
    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                if (ticketSum > 0) {
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(10);
                    ticketSum--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + ticketSum);
                }
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> SellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SellDemo.sell());
    }
}

• 由于没有加锁，出现卖票重复和溢出等情况
  

1. 悲观锁

• 介绍
  悲观锁比较悲观，它认为如果不锁住这个资源，别的线程就会来争抢，就会造成数据结果错误，所以悲观锁为了确保结果的正确性，会在每次获取并修改数据时，都把数据锁住，让其他线程无法访问该数据，这样就可以确保数据内容万无一失。

• JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock，都是悲观锁

• synchronized 加锁

public class SynchronizedDemo {
    /**
     * 库存
     */
    static int ticketSum = 100;

    /**
     * 卖票
     */
    public synchronized static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                if (ticketSum > 0) {
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(10);
                    ticketSum--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + ticketSum);
                }
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> SynchronizedDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SynchronizedDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SynchronizedDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SynchronizedDemo.sell());
    }
}

• ReentrantLock 加锁

public class ReentrantLockDemo {

    /**
     * 锁
     */
    private static final Lock LOCK = new ReentrantLock();

    /**
     * 库存
     */
    static int ticketSum = 100;

    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            LOCK.lock();
            try {
                if (ticketSum > 0) {
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(10);
                    ticketSum--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + ticketSum);
                }
            } catch (InterruptedException ignored) {
            } finally {
                LOCK.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
    }
}

• 加锁后效果
  

2. 乐观锁

• 介绍
  通过版本号一致与否，即给数据加上版本，不会上锁，判断版本号，可以多人操作。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量。

• 乐观锁的典型案例就是原子类，例如 AtomicInteger 在更新数据时，就使用了乐观锁的思想，多个线程可以同时操作同一个原子变量。

• 乐观锁实现

public class OptimisticDemo {
    /**
     * 用原子类定义变量
     * 库存
     */
    static AtomicInteger ticketSum = new AtomicInteger(100);

    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                    // 获取进行-1后的票数，修改和获取必须同时进行。
                    int now = ticketSum.addAndGet(-1);
                    if (now < 0) {
                      break;
                    }
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(100);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + now);
                
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> OptimisticDemo.sell());
        executorService.execute(() -> OptimisticDemo.sell());
        executorService.execute(() -> OptimisticDemo.sell());
        executorService.execute(() -> OptimisticDemo.sell());
    }
}

• 效果
  

3. 公平锁和非公平锁

• 介绍
  公平锁：先来先到（效率相对低）
  非公平锁：不是按照顺序，可插队（效率高，但是线程容易饿死）
• 和我们第一步创建的ReentrantLock一样，Lock lock = new ReentrantLock(true)在构造中传入true即可开启公平锁，false 表示非公平锁。

public class ReentrantLockDemo {

    /**
     * true 表示公平锁
     */
    private static final Lock LOCK = new ReentrantLock(true);

    /**
     * 库存
     */
    static int ticketSum = 100;

    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            LOCK.lock();
            try {
                if (ticketSum > 0) {
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(10);
                    ticketSum--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + ticketSum);
                }
            } catch (InterruptedException ignored) {
            } finally {
                LOCK.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantLockDemo.sell());
    }
}

• 效果
  

4. 读写锁

• 介绍
  读写锁：一个资源可以被多个读线程访问，也可以被一个写线程访问，但不能同时存在读写线程，读写互斥，读读共享(写锁独占，读锁共享，写锁优先级高于读锁)

  读写锁ReentrantReadWriteLock
  读锁为ReentrantReadWriteLock.ReadLock，readLock()方法
  写锁为ReentrantReadWriteLock.WriteLock，writeLock()方法
  创建读写锁对象private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock()
  写锁 加锁 rwLock.writeLock().lock()，解锁为rwLock.writeLock().unlock()
  读锁 加锁rwLock.readLock().lock()，解锁为rwLock.readLock().unlock()

• 读写锁案例：修改卖票案例，新增读写方法，分开加锁。

public class ReentrantReadWriteDemo {

    /**
     * 创建读写锁
     */
    private static final ReadWriteLock RW_LOCK = new ReentrantReadWriteLock();

    /**
     * 库存票数
     */
    static int ticketSum = 100;
    
    /**
     * 获取库存
     */
    public static int getSum() {
        RW_LOCK.readLock().lock();
        try {
            return ticketSum;
        } finally {
            RW_LOCK.readLock().unlock();
        }
    }
    /**
     * 设置库存
     */
    public static int setSum() {
        RW_LOCK.writeLock().lock();
        try {
            if(ticketSum > 0){
               ticketSum--;
            }
            return ticketSum;
        } finally {
            RW_LOCK.writeLock().unlock();
        }
    }
    
    /**
     * 卖票
     */
    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                    int sum = setSum();
                    if (sum  <= 0) {
                        System.out.println("卖完啦！");
                        break;
                    }
                    // 模拟业务处理时间
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + sum );
                
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }

        }
    }

    /**
     * 打印剩余票数，模拟用户查询票数
     */
   public static void print() {
      while(true) {
          try {
                    System.out.println("用户查询票数，当前剩余票数:" +  getSum() );
                    Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }
      }
   }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> ReentrantReadWriteDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantReadWriteDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantReadWriteDemo.sell());
        executorService.execute(() -> ReentrantReadWriteDemo.sell());
        // 模拟1个线程查询剩余票数
        executorService.execute(() -> ReentrantReadWriteDemo.print());
    }

}

5. 可重入锁

• 可重入锁，也叫做递归锁，指的是在同一线程内，外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然可以获取到该锁。 就是同一个线程再次进入同样代码时，可以再次拿到该锁。
• 其实我们之前案例用到的synchronized和ReentrantLock 都是可重入锁
• synchronized案例

public class Reentrant {

    public static void test() {
        Object o = new Object();
        new Thread(() -> {
            synchronized (o) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买1");
                synchronized (o) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "送1");
                    synchronized (o) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再送");
                    }
                }
            }

        }, "线程：").start();
    }

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

• ReentrantLock案例

public class ReentrantLockTest {

    private static final Lock LOCK = new ReentrantLock();

    public static void test() {
        LOCK.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买1");
            LOCK.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "送1");
                LOCK.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再送");
                } finally {
                    LOCK.unlock();
                }
            } finally {
                LOCK.unlock();
            }
        } finally {
            LOCK.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            test();
        }, "线程：").start();
    }
}

• 效果
  

6. 自旋锁

• 介绍
  自旋锁是指当一个线程尝试获取某个锁时，如果该锁已被其他线程占用，就一直循环检测锁是否被释放，而不是进入线程挂起或睡眠状态。
  优点： 多个线程对同一个变量一直使用CAS操作，那么会有大量修改操作，从而产生大量的缓存一致性流量，因为每一次CAS操作都会发出广播通知其他处理器，从而影响程序的性能。
  缺点： 自旋锁一直占用CPU，在未获得锁的情况下，一直运行，如果不能在很短的时间内获得锁，会导致CPU效率降低。

  总结：由此可见，我们要慎重的使用自旋锁，自旋锁适合于锁使用者保持锁时间比较短并且锁竞争不激烈的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。

• 利用CSA实现自旋锁

public class SpinLock {

    private static final AtomicReference<Thread> CAS = new AtomicReference<>();

    public static void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 利用CAS，compare比较CAS中值是否为空，为空则把值更新为新的线程并返回true,否则一直循环运行,线程保持运行不被挂起
        while (!CAS.compareAndSet(null, current)) {
        }
        // DO nothing
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁");
    }

    public static void unlock() {
        // 解锁也很简单，compare比较当前线程是否拥有锁，拥有则把CAS中的值重新设空即可
        Thread current = Thread.currentThread();
        CAS.compareAndSet(current, null);
    }
}

• 结合到我们的卖票案例

public class SpinLockSellDemo {

    private static final AtomicReference<Thread> CAS = new AtomicReference<>();

    /**
     * 库存
     */
    static int ticketSum = 100;

    public static void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 利用CAS，compare比较CAS中值是否为空，为空则把值更新为新的线程并返回true,否则一直循环运行
        while (!CAS.compareAndSet(null, current)) {
        }
    }

    public static void unlock() {
        // 解锁也很简单，compare比较当前线程是否拥有锁，拥有则把CAS中的值重新设空即可
        Thread current = Thread.currentThread();
        CAS.compareAndSet(current, null);
    }

    /**
     * 卖票
     */
    public static void sell() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                lock();
                try {
                    if (ticketSum > 0) {
                        // 模拟业务处理时间
                        Thread.sleep(10);
                        ticketSum--;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖票成功，当前剩余票数:" + ticketSum);
                    }
                } catch (InterruptedException ignored) {
                }
            } finally {
                unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
        // 模拟4个线程卖票
        executorService.execute(() -> SpinLockSellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SpinLockSellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SpinLockSellDemo.sell());
        executorService.execute(() -> SpinLockSellDemo.sell());
    }
}

• 自旋锁卖票效果