JAVA 各种锁机制
可重入锁
可重锁是指同一个线程，外层函数获取锁后，内层函数可以自动获取到锁。
java中synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。
对于synchronized，其实现机制有jvm实现。
对于ReentrantLock，其继承自父类AQS，其父类AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数，status初始值为0。
当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行status+1，且当前线程可以再次获取锁。而非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞。
释放锁时，可重入锁同样先获取当前status的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果status-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁。而非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将status置为0，将锁释放。
测试代码
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 可重入锁
* 1 synchronized
* 2 ReentrantLock
*/
public class Main {
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private synchronized void get() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke get() method");
set();
}
private synchronized void set() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke set() method");
}
private void _get() {
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke _get() method");
_set();
} catch (Exception ignored) {
} finally {
lock.unlock();
}
}
private void _set(){
lock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke _set() method");
} catch (Exception ignored) {
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Main main = new Main();
new Thread(main::get, "t1").start();
new Thread(main::get, "t2").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println();
System.out.println();
System.out.println();
new Thread(main::_get,"t3").start();
new Thread(main::_get,"t4").start();
}
}
输出结果
t1 invoke get() method
t1 invoke set() method
t2 invoke get() method
t2 invoke set() method
t3 invoke _get() method
t3 invoke _set() method
t4 invoke _get() method
t4 invoke _set() method
自旋锁
自旋锁(spinlock):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。
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）
缺点
若锁被其他线程长时间占用，由于一直死循环，会带来许多性能上的开销。
java实现自旋锁
package demo;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SpinLock {
AtomicReference<Thread> reference = new AtomicReference<>();
public void lock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
while (!reference.compareAndSet(null, thread)) {
}
}
public void unlock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
reference.compareAndSet(thread, null);
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SpinLock spinLock = new SpinLock();
new Thread(() -> {
spinLock.lock();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
spinLock.unlock();
}, "t2").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
new Thread(() -> {
spinLock.lock();
spinLock.unlock();
}, "t2").start();
}
}
实现可重入自选锁
思路为维持一个状态变量，记录当前lock的次数。
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class SpinLock {
AtomicReference<Thread> reference = new AtomicReference<>();
private AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
public void lock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
if (reference.get() == thread) {
num.incrementAndGet();
return;//当前锁已经获取了，直接return
}
while (!reference.compareAndSet(null, thread)) {
}
}
public void unlock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
if (reference.get() != thread) return;
if (num.get() > 0) {//多次lock
num.decrementAndGet();
} else {
reference.compareAndSet(thread, null);
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SpinLock spinLock = new SpinLock();
new Thread(() -> {
spinLock.lock();
System.out.printf("%s\tlock%n", Thread.currentThread().getName());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
spinLock.unlock();
System.out.printf("%s\tunlock%n", Thread.currentThread().getName());
}, "t1").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
new Thread(() -> {
spinLock.lock();
System.out.printf("%s\tlock%n", Thread.currentThread().getName());
spinLock.unlock();
System.out.printf("%s\tunlock%n", Thread.currentThread().getName());
}, "t2").start();
}
}
## 读写锁
在java中，ReentrantLock和synchronized都是独占锁，也就是当一个线程获取到锁后，其他线程会阻塞。
使用ReentrantLock和synchronized可以保证线程获取和写入资源的安全，但是在读多写少的场景下，如果每次对读操作都加上独占锁，那么会降低读的性能。
在此基础上，有了读写锁的应用场景，一般的缓存操作（读缓存和写缓存），更适合用读写锁。
### 测试代码
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
import java.util.stream.IntStream;
class Cache {
private volatile Map<Integer, Object> map = new HashMap<>();//对于线程共同操作的资源，需要加上volatile
private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();//读写锁
public void put(Integer num, Object o) {
lock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t正在写入，" + num + "：" + o);
map.put(num, o);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t写入完成");
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
public void get(Integer num) {
lock.readLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t正在读取," + num);
Object o = map.get(num);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t读取完成，" + num + "：" + o);
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Cache cache = new Cache();
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
new Thread(() -> cache.put(i, i), String.valueOf(i)).start();
});
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
new Thread(() -> cache.get(i), String.valueOf(i)).start();
});
}
}
输出
0 正在写入，0：0
0 写入完成
5 正在写入，5：5
5 写入完成
1 正在写入，1：1
1 写入完成
7 正在写入，7：7
7 写入完成
2 正在写入，2：2
2 写入完成
3 正在写入，3：3
3 写入完成
4 正在写入，4：4
4 写入完成
6 正在写入，6：6
6 写入完成
8 正在写入，8：8
8 写入完成
9 正在写入，9：9
9 写入完成
0 正在读取,0
0 读取完成，0：0
1 正在读取,1
2 正在读取,2
2 读取完成，2：2
1 读取完成，1：1
4 正在读取,4
4 读取完成，4：4
3 正在读取,3
6 正在读取,6
7 正在读取,7
7 读取完成，7：7
5 正在读取,5
8 正在读取,8
6 读取完成，6：6
3 读取完成，3：3
8 读取完成，8：8
9 正在读取,9
5 读取完成，5：5
9 读取完成，9：9
由结果可见，在线程进行写操作时，其操作是没有被阻塞的。
在线程进行读操作时，可以由多个线程来同时读取。
ReentrantReadWriteLock的特性
①具有与ReentrantLock类似的公平锁和非公平锁的实现：默认的支持非公平锁，对于二者而言，非公平锁的吞吐量由于公平锁；
②支持重入：读线程获取读锁之后能够再次获取读锁，写线程获取写锁之后能再次获取写锁，也可以获取读锁。
③锁能降级：遵循获取写锁、获取读锁在释放写锁的顺序，即写锁能够降级为读锁
