java中的各种锁机制
前言
在Java中,锁是用于多线程同步的重要概念。它可以保护共享资源,确保多个线程在访问共享资源时的正确性和一致性。Java中的锁有两种形式:隐式锁(synchronized关键字)和显式锁(Lock接口的实现类)。锁的作用是保护临界区(多个线程并发访问的关键区域),只允许一个线程在同一时间内访问临界区。当一个线程获得锁时,其他线程将被阻塞,直到锁被释放。
使用锁的好处是可以避免多个线程同时修改共享资源而引发的数据不一致或冲突。锁在多线程编程中起到了非常重要的作用,确保了线程安全性和数据一致性。
一、java中的锁的概念,为什么需要用到锁
在Java中,需要使用锁的主要原因是多线程并发访问共享资源时可能引发以下问题:
竞态条件(Race Condition):当多个线程同时访问和修改共享资源时,由于执行顺序不确定,可能导致不可预测的结果。例如,在多个线程同时进行读取和写入时,可能会读取到脏数据或产生数据丢失的情况。
数据不一致性:当多个线程并发修改共享资源时,可能会导致数据的不一致性。例如,一个线程在读取共享资源时,另一个线程可能同时修改了该资源,导致读取到的数据是不一致的。
死锁(Deadlock):当多个线程同时持有某些资源的锁,并且彼此都在等待对方释放资源的锁时,就会发生死锁。这时,线程无法继续执行,造成系统的停滞。
为了解决以上问题,需要使用锁来实现线程之间的互斥访问和同步。锁的作用是保护临界区,确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源,其他线程需要等待。通过锁的机制,可以保证共享资源的正确性和数据的一致性,避免竞态条件和数据不一致性的问题。
二、锁的种类
JAVA中锁的种类很多,我个人喜欢喜欢分为两种,一种共享锁,一种为独占锁.以下是java中各种锁
1、乐观锁
乐观锁 是一种乐观思想 ,假定当前环境是读多写少,遇到并发写的概率比较低,读数
据时认为别的线程不会正在进行修改(所以没有上锁)。写数据时,判断当前 与期望
值是否相同,如果相同则进行更新(更新期间加锁,保证是原子性的)。
Java中的 乐观锁 : CAS ,比较并替换,比较当前值(主内存中的值),与预期值(当前
线程中的值,主内存中值的一份拷贝)是否一样,一样则更新,否则继续进行CAS操
作。如上图所示,可以同时进行读操作,读的时候其他线程不能进行写操作。
2、悲观锁
悲观锁 是一种悲观思想 ,即认为写多读少,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的
时候都认为其他线程会修改,所以每次读写数据都会认为其他线程会修改,所以每次
读写数据时都会上锁。其他线程想要读写这个数据时,会被这个线程block,直到这
个线程释放锁然后其他线程获取到锁。
Java中的 悲观锁 : synchronized 修饰的方法和方法块、 ReentrantLock 。
如上图所示,只能有一个线程进行读操作或者写操作,其他线程的读写操作均不能进
行。
3、自旋锁
自旋锁是一种技术:为了让线程等待,我们只需要让线程执行一个循环(自旋).
现在绝大多数的个人电脑和服务器都是多路(核)处理器系统,如果物理机器有一个以上的处理器或者处理器核心,能让两个或以上的线程同时并行执行,就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一会”,但不放弃处理器的执行时间,看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。
自旋锁 的优点: 避免了线程切换的开销。挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核
态中完成,这些操作给Java虚拟机的并发性能带来了很大的压力。
自旋锁 的缺点: 占用处理器的时间,如果占用的时间很长,会白白消耗处理器资源,
而不会做任何有价值的工作,带来性能的浪费。因此自旋等待的时间必须有一定的限
度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起
线程。
自旋 次数默认值: 10次,可以使用参数-XX:PreBlockSpin来自行更改。
4、可重入锁(递归锁)
可重入锁 是一种技术: 任意线程在获取到锁之后能够再次获取该锁而不会被锁所阻塞
可重入锁 的原理: 通过组合自定义同步器来实现锁的获取与释放。例如synchronized, 在锁对象的对象头里记录当前获取到锁线程的线程id,当该线程下次获取锁时可以直接获取到.
再次获取锁:识别获取锁的线程是否为当前占据锁的线程,如果是,则再次成功获取。获取锁后,进行计数自增.
释放锁:释放锁时,进行计数自减。
Java中的 可重入锁 : ReentrantLock、synchronized修饰的方法或代码段。
可重入锁 的作用: 避免死锁。
面试题1: 可重入锁如果加了两把,但是只释放了一把会出现什么问题?
答:程序卡死,线程不能出来,也就是说我们申请了几把锁,就需要释放几把锁。
面试题2: 如果只加了一把锁,释放两次会出现什么问题?
答:会报错java.lang.IllegalMonitorStateException。
5、读写锁
读写锁 是一种技术: 通过 ReentrantReadWriteLock 类来实现。为了提高性能, Java
提供了读写锁,在读的地方使用读锁,在写的地方使用写锁,灵活控制,如果没有写
锁的情况下,读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。 读写锁分为读锁
和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由 jvm 自己控制的。
读锁: 允许多个线程获取读锁,同时访问同一个资源。
写锁: 只允许一个线程获取写锁,不允许同时访问同一个资源。
Java中的读写锁: ReentrantReadWriteLock
如何使用:
/*** 创建一个读写锁 * 它是一个读写融为一体的锁,在使用的时候,需要转换 */
ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
获取读锁和释放读锁
// 获取读锁 rwLock.readLock().lock(); // 释放读锁 rwLock.readLock().unlock();
获取写锁和释放写锁
// 创建一个写锁 rwLock.writeLock().lock(); // 写锁 释放 rwLock.writeLock().unlock();
6、公平锁
公平锁 是一种思想: 多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。在并发环境中,每个线程
会先查看此锁维护的等待队列,如果当前等待队列为空,则占有锁,如果等待队列不
为空,则加入到等待队列的末尾,按照FIFO的原则从队列中拿到线程,然后占有锁。
以ReentrantLock为例,不管是公平锁还是非公平锁底层实现都是以AQS来进行排队,它们的区别在于: 线程在使用lock()加锁是,如果是公平锁,会先检查AQS队列中是否存在线程在排队,有线程在排队,则当前线程也进行进行排队.如果是非公平锁,则不会检查是否有线程在排队,而是直接竞争锁.
不管是公平锁还是非公平锁,一旦没竞争到锁,都会进行排队,当锁释放时,通常唤醒排在最前面的线程
7、非公平锁
非公平锁 是一种思想: 线程尝试获取锁,如果获取不到,则再采用公平锁的方式。多
个线程获取锁的顺序,不是按照先到先得的顺序,有可能后申请锁的线程比先申请的
线程优先获取锁。
优点: 非公平锁的性能高于公平锁。
缺点: 有可能造成线程饥饿(某个线程很长一段时间获取不到锁)
Java中的 非公平锁: synchronized是非公平锁,ReentrantLock通过构造函数指定
该锁是公平的还是非公平的,默认是非公平的。
8、共享锁
共享锁 是一种思想: 可以有多个线程获取读锁,以共享的方式持有锁。和乐观锁、读
写锁同义
Java中用到的共享锁: ReentrantReadWriteLock
9、独占锁
独占锁 是一种思想: 只能有一个线程获取锁,以独占的方式持有锁。和悲观锁、互斥
锁同义。
Java中用到的独占锁: synchronized,ReentrantLock
10、重量级锁
重量级锁是一种称谓: synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁 ( monitor )来实现的,监视器锁本身依赖底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现。操作系统实现线程的切换需要从用户态切换到核心态,成本非常高。这种依赖于操作系统 Mutex Lock 来实现的锁称为重量级锁。为了优化 synchonized ,引入了 轻量级锁 , 偏向锁 。
Java中的重量级锁: synchronized
11、轻量级锁
轻量级锁 是JDK6时加入的一种锁优化机制: 轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操
作去消除同步使用的互斥量。轻量级是相对于使用操作系统互斥量来实现的重量级锁
而言的。轻量级锁在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互
斥量产生的性能消耗。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况,那轻量级锁将
不会有效,必须膨胀为重量级锁。
优点: 如果没有竞争,通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销。
缺点: 如果存在竞争,除了互斥量本身的开销外,还额外产生了CAS操作的开销,因
此在有竞争的情况下,轻量级锁比传统的重量级锁更慢。
12、偏向锁
偏向锁 是JDK6时加入的一种锁优化机制: 在无竞争的情况下把整个同步都消除掉, 连CAS操作都不去做了。偏是指偏心,它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,该锁一直没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作等)。
优点: 把整个同步都消除掉,连CAS操作都不去做了,优于轻量级锁。
缺点: 如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问,那偏向锁就是多余的。
13、分段锁
分段锁 是一种机制: 最好的例子来说明分段锁是ConcurrentHashMap。
ConcurrentHashMap原理: 它内部细分了若干个小的 HashMap,称之为段(Segment)。 默认情况下一个 ConcurrentHashMap 被进一步细分为 16 个段,既就是锁的并发度。如果需要在 ConcurrentHashMap 添加一项key-value,并不是将整个 HashMap 加锁,而是首先根据 hashcode 得到该key-value应该存放在哪个段中,然后对该段加锁,并完成 put 操作。在多线程环境中,如果多个线程同时进行put操作,只要被加入的key-value不存放在同一个段中,则线程间可以做到真正的并行。
线程安全: ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组, Segment 通过继承
ReentrantLock 来进行加锁,所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment,这
样只要保证每个 Segment 是线程安全的,也就实现了全局的线程安全
14、互斥锁
互斥锁与悲观锁、独占锁同义,表示某个资源只能被一个线程访问,其他线程不能访问。
读-读互斥
读-写互斥
写-读互斥
写-写互斥
Java中的同步锁: synchronized
15、同步锁
同步锁与互斥锁同义,表示并发执行的多个线程,在同一时间内只允许一个线程访问
共享数据。
Java中的同步锁: synchronized
16、死锁
死锁是一种现象: 如线程A持有资源x,线程B持有资源y,线程A等待线程B释放资源
y,线程B等待线程A释放资源x,两个线程都不释放自己持有的资源,则两个线程都获
取不到对方的资源,就会造成死锁。
Java中的死锁不能自行打破,所以线程死锁后,线程不能进行响应。所以一定要注意
程序的并发场景,避免造成死锁
三、锁的区别
3.1synchronized和reentrantlock的区别
ReentrantLock 是Java中的类 : 继承了Lock类,可重入锁、悲观锁、独占锁、互斥
锁、同步锁。
划重点
相同点:
1.主要解决共享变量如何安全访问的问题
2.都是可重入锁,也叫做递归锁,同一线程可以多次获得同一个锁,
3.保证了线程安全的两大特性:可见性、原子性。
不同点:
1.ReentrantLock 是一个类,需要显示的调用lock和unlock方法, synchronized 是一个关键字隐式获得释放锁。
2.ReentrantLock 可响应中断, synchronized 是不可以响应中断的,ReentrantLock 为处理锁的不可用性提供了更高的灵活性
3.ReentrantLock 是 API 级别的, synchronized 是 JVM 级别的
4.ReentrantLock 可以实现公平锁、非公平锁,默认非公平锁, synchronized 是非公平锁,且不可更改。
5.ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
3.2Lock和synchronized的区别
Lock : 是Java中的接口,可重入锁、悲观锁、独占锁、互斥锁、同步锁。
1.Lock需要手动获取锁和释放锁。就好比自动挡和手动挡的区别
2.Lock 是一个接口,而 synchronized 是 Java 中的关键字,synchronized 是内置的语言实现。
3.synchronized 在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而 Lock 在发生异常时,如果没有主动通过 unLock()去释放 锁,则很可能造成死锁现象,因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。4.Lock 可以让等待锁的线程响应中断,而 synchronized 却不行,使用synchronized 时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断。
5.通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁,而 synchronized 却无法办到。
6.Lock 可以通过实现读写锁提高多个线程进行读操作的效率。
synchronized的优势:
1.足够清晰简单,只需要基础的同步功能时,用synchronized。
2.Lock应该确保在finally块中释放锁。如果使用synchronized,JVM确保即使出现异常,锁也能被自动释放。
3.使用Lock时,Java虚拟机很难得知哪些锁对象是由特定线程锁持有的。
3.3synchronized
synchronized 是Java中的关键字:用来修饰方法、对象实例。属于独占锁、悲观锁、可重入锁、非公平锁。
1.作用于实例方法时,锁住的是对象的实例(this);
2.当作用于静态方法时,锁住的是 Class类,相当于类的一个全局锁,会锁所有调用该方法的线程;
3.synchronized 作用于一个非 NULL的对象实例时,锁住的是所有以该对象为锁的代码块。 它有多个队列,当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。 每个对象都有个 monitor 对象, 加锁就是在竞争 monitor 对象,代码块加锁是在代 码块前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的,方法加锁是通过一
个标记位来判断的
总结
本文只是简单的介绍了java中各类锁,想进一步学习的,请自行查阅相关资料
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