JAVA 锁的机制（美团技术文章）

JAVA 锁的机制

• 参考文章
• 一、乐观锁和悲观锁
• • • 乐观锁
    • 悲观锁
    • CAS技术
• 二、 自旋锁 VS 适应性自旋锁
• • • 自旋锁
    • 适应性自旋锁
  • synchronized为什么能实现线程同步
• 三、无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁
• • • 无锁
    • 偏向锁：
    • 轻量级锁
    • 重量级锁
    • 自旋锁：
• 四、公平锁 VS 非公平锁
• • • 公平锁
    • 非公平锁
• 五、可重入锁 VS 非可重入锁
• • • 可重入锁
    • 非可重入锁
• 六、独享锁 VS 共享锁
• • • 独享锁
    • 共享锁
    • 举例分析独享锁和共享的实现

---

参考文章

来自美团技术团队
美团： 家琪：不可不说的Java“锁”事

---

一、乐观锁和悲观锁

乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念，体现了看待线程同步的不同角度。在Java和数据库中都有此概念对应的实际应用。

乐观锁

乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。

乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

悲观锁

悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

CAS技术

CAS全称 Compare AndSwap（比较与交换），是一种无锁算法。在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

二、 自旋锁 VS 适应性自旋锁

自旋锁

适应性自旋锁

synchronized

synchronized为什么能实现线程同步

只能升级不能降级。

三、无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

无锁

就是完全不锁资源，多线程的时候谁先抢到谁成功

无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。
无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁：

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。

在锁对象的对象头里面有一个 threadid 字段，在第一次 访问的时候 threadid 为空，jvm 让其持有偏向锁，并将 threadid 设置为其线程 id，再 次进入的时候会先判断 threadid 是否与其线程 id 一致，如果一致则可以直接使用此对
象，如果不一致，则升级偏向锁为轻量级锁

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，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，从而提高性能。

重量级锁

升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。

自旋锁：

四、公平锁 VS 非公平锁

公平锁

非公平锁

五、可重入锁 VS 非可重入锁

可重入锁

非可重入锁

六、独享锁 VS 共享锁

独享锁

独享锁也叫排他锁，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。

共享锁

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

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。

举例分析独享锁和共享的实现

都是通过AQS来实现的独享和共享
AQS 的全称为 AbstractQueuedSynchronizer ，翻译过来的意思就是抽象队列同步，主要用来构建锁和同步器器
ReentrantReadWriteLock的部分源码

ReentrantReadWriteLock里面有两个lock ，一个是ReadLock读锁，一个是WriteLock写锁，ReentrantReadWriteLock就是读写锁。
ReadLock和WriteLock都是由内部类sync实现

Sync是AQS的一个子类，这种结构在CountDownLatch、ReentrantLock、Semaphore里面也都存在。

虽然主体都是sync ，但是加锁方式读锁是共享锁，写锁是独享锁。

读锁共享可以保证效率，读写，写读，写写的过程互斥（只要修改就互斥），而读写锁是分开所以ReentrantReadWriteLock比普通的互斥锁快很多。

读锁和写锁的具体加锁方式 区别
在最开始提及AQS的时候我们也提到了state字段（int类型，32位），该字段用来描述有多少线程获持有锁。

在独享锁中这个值通常是0或者1（如果是重入锁的话state值就是重入的次数），在共享锁中state就是持有锁的数量。但是在ReentrantReadWriteLock中有读、写两把锁，所以需要在一个整型变量state上分别描述读锁和写锁的数量（或者也可以叫状态）。于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分，高16位表示读锁状态（读锁个数），低16位表示写锁状态（写锁个数）。如下图所示：

判断方式原文家琪作者写的比较详细就不抄录了看原文

读锁和写锁通过判断这个state来判断
写锁判断方法tryAcquire（）

1. 如果读取计数非零或写入计数非零 所有者是不同的线程，失败。
2. 如果计数会饱和，则失败。 （这只能 如果计数已经非零，就会发生。）
3. 否则，如果 它要么是可重入获取要么队列策略允许它。如果是这样，更新状态 并设置所有者。

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
       
            Thread current = Thread.currentThread();
            //获取state锁的个数
            int c = getState();  
            //获取写锁的个数
            int w = exclusiveCount(c);
            //
            if (c != 0) {//
                // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)//65535，2的16次方-1）
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // Reentrant acquire
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

读锁判断方法tryAcquireShared（）

        protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            /*
             * Walkthrough:
             * 1. If write lock held by another thread, fail.
             * 2. Otherwise, this thread is eligible for
             *    lock wrt state, so ask if it should block
             *    because of queue policy. If not, try
             *    to grant by CASing state and updating count.
             *    Note that step does not check for reentrant
             *    acquires, which is postponed to full version
             *    to avoid having to check hold count in
             *    the more typical non-reentrant case.
             * 3. If step 2 fails either because thread
             *    apparently not eligible or CAS fails or count
             *    saturated, chain to version with full retry loop.
             */
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            int r = sharedCount(c);
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                if (r == 0) {
                    firstReader = current;
                    firstReaderHoldCount = 1;
                } else if (firstReader == current) {
                    firstReaderHoldCount++;
                } else {
                    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                        cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
                    else if (rh.count == 0)
                        readHolds.set(rh);
                    rh.count++;
                }
                return 1;
            }
            return fullTryAcquireShared(current);
        }