《微服务实战》 第二十六章 Java锁的分类

前言

本章节介绍Java中的几种常见的锁：公平锁和非公平锁、可重入锁、独享锁/共享锁、互斥锁/读写锁、乐观锁/悲观锁、分段锁、偏向锁/轻量级锁/重量级锁、自旋锁。

1、公平锁和非公平锁

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。

package com.xxxx.reids.thread;

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

/***
 * @title ReentrantLockFair
 * @desctption 公平锁
 * @author Kelvin
 * @create 2023/5/29 16:10
 **/
public class ReentrantLockFair {

    public static void main(String[] args) {
        //true表示公平锁
        Lock lock = new ReentrantLock(true);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 2; j++) {
                        lock.lock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }

}

```java
package com.xxxx.reids.thread;

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

/***
 * @title ReentrantLockFair
 * @desctption 非公平锁
 * @author Kelvin
 * @create 2023/5/29 16:10
 **/
public class ReentrantLockFair {

    public static void main(String[] args) {
        //false表示非公平锁
        Lock lock = new ReentrantLock(false);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 2; j++) {
                        lock.lock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }

}

2、可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁(就是可以重新进入获得锁)对于Java ReentrantLock而言, 其名字是Reentrant Lock即是重新进入锁。对于synchronized而言，也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁
（可重入锁，指的是以线程为单位，当一个线程获取对象锁之后，这个线程可以再次获取本对象上的锁，而其他的线程是不可以的。）

synchronized void setA() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
setB();
}
synchronized void setB() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
}

/***
 * @title ReentrantLockTest
 * @desctption 可重入锁测试
 * @author Kelvin
 * @create 2023/5/29 16:29
 **/
public class ReentrantLockTest {

    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        new Thread(() -> {
            //第一次加锁
            synchronized (obj) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第一层");
                //第二次加锁，此时obj对象处于锁定状态，但是当前线程仍然可以进入，避免死锁
                synchronized (obj) {
                    int i = 1 / 0;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第二层");
                }
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            //第一次加锁
            synchronized (obj) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第一层");
                //第二次加锁，此时obj对象处于锁定状态，但是当前线程仍然可以进入，避免死锁
                synchronized (obj) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第二层");
                }
            }
        }, "t2").start();
    }

}

练习：用ReentrantLock测试可重入锁

3、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Java 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。对于synchronized而言，当然是独享锁。
(读锁使用共享模式；写锁使用独占模式；读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。当有读锁时，写锁就不能获得；而当有写锁时，除了获得写锁的这个线程可以获得读锁外，其他线程不能获得读锁)

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/***
 * @title WriteAndReedLockTest
 * @desctption 读写锁
 * @author kelvin
 * @create 2023/5/29 16:58
 **/
public class WriteAndReedLockTest {
    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock= new ReentrantReadWriteLock();
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
    //执行三个线程进行读写操作，并设置一个屏障，线程依次准备就绪后未获取锁之前都在等待，当第三个线程执行 cyclicBarrier.await();后屏障解除，三个线程同时执行。
    private static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
    private static Integer i = 100;
    public static void main(String[] args) {
        executorService.execute(
                () ->{
                    read();
                }
        );
        executorService.execute(
                () ->{
                    write();
                }
        );
        executorService.execute(
                () ->{
                    read();
                }
        );
    }

    private static void read(){
        try {
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //获取读锁
        reentrantReadWriteLock.readLock().lock();
        System.out.println("Read," + Thread.currentThread().getName() + ",i = " + i);
        reentrantReadWriteLock.readLock().unlock();
    }

    private static void write(){
        try {
            cyclicBarrier.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //获取写锁
        reentrantReadWriteLock.writeLock().lock();
        i ++;
        System.out.println("Write," + Thread.currentThread().getName() + ",i = " + i);
        reentrantReadWriteLock.writeLock().unlock();
    }
}

4、互斥锁/读写锁

独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock；读写锁在Java中的具体实现就是Read/WriteLock。

5、乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。

• 悲观锁：总是假设最坏的情况，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。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。再比如 Java 里面的同步原语 synchronized 关键字的实现也是悲观锁
• 乐观锁：顾名思义，就是很乐观，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，可以使用版本号等机制。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
• 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(Compare and Swap 比较并交换)实现的。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/***
 * @title AtomicExample
 * @desctption 乐观锁/悲观锁
 * @author Kelvin
 * @create 2023/5/29 17:08
 **/
public class AtomicExample {
    private static Integer m = 1;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.submit(
                    () -> {
                        m ++;
                    }
            );
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println(m);
    }
}

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/***
 * @title AtomicExample
 * @desctption 乐观锁/悲观锁
 * @author Kelvin
 * @create 2023/5/29 17:08
 **/
public class AtomicExample {
    private static AtomicInteger m = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.submit(
                    () -> {
                        m.incrementAndGet();
                    }
            );
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println(m.get());
    }
}

6、分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。当需要put元素的时候，并不是对整个HashMap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。但是，在统计size的时候，可就是获取HashMap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。

分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

7、偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

• 偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
• 轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
• 重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

8、自旋锁

在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU