并发编程四、相关锁的概念总结

前言：

1. 文章内容：线程与进程、线程生命周期、线程中断、线程常见问题总结
2. 本文章内容来源于笔者学习笔记，内容可能与相关书籍内容重合
3. 偏向于知识核心总结，非零基础学习文章，可用于知识的体系建立，核心内容复习，如有帮助，十分荣幸
4. 相关文献：并发编程实战、计算机原理

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 悲观锁、乐观锁

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悲观锁：

　　对于同一个数据的并发操作，悲观锁认为我在修改数据时一定会有其他线程进来修改数据，因此在操作数据之前进行加锁。这种思路实现的锁就是悲观锁：java中synchronized和ReentrantLock都是悲观锁。

乐观锁：

　　对于同一个数据的并发操作，乐观锁认为我在修改数据时不会有其他线程进来修改数据，因此不会添加锁来限制其他线程的进入，只有在更新数据时，判读之前有没有线程更新了这个数据，如果这个数据没有被更新，那么当前线程就有更新的权利，如果被更新了，报错或重试。

　　举个栗子：git提交代码会检查远端版本是不是领先于我们现在，如果不一致就会提示其他修改了远端代码，提交失败。如果版本号一致，就可以提交。

悲观锁缺点：

1. 阻塞和唤醒带来性能优势，线程切换消耗
2. 永久阻塞：如果持有锁的线程被永久阻塞，比如无限循环，死锁等活跃性问题。那么等待该线程释放锁的其他线程，永远得不到执行
3. 优先级反转：线程有优先级，可能当优先级低的线程拿到锁，执行很久释放慢。可能导致优先级高的一直拿不到锁，优先级错乱

乐观锁缺点：

　　悲观锁原始开销要高于乐观锁，但是特点是一劳永逸，临界区持锁时间就算越来越差，也不会对互斥锁的开销造成影响。相反，乐观锁一开始开销小，但是自旋时间很长或不停重试，那么消耗的资源也会越来越多

结论：

• 悲观锁适合写操作较多的场景，加锁保证写操作时数据正确。或者临界区持锁时间比较长的情况，悲观锁可以避免大量无用自旋消耗。比如：临界区有IO操作、临界区代码复杂、临界区竞争激烈。
• 乐观锁适合读操作较多，并发写少的场景，不加锁能够使其读操作性能大幅提升
• 乐观锁也称无锁编程，典型实现就是CAS算法

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公平锁、非公平锁

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公平锁：

　　获取锁的顺序符合请求的绝对时间顺序，没有获取到锁的线程会被安排到一个阻塞队列中去，也就是FIFO，缺点是吞吐量很低，因为除了等待队列中的第一个线程，其他的线程全部会被阻塞，而 CPU唤醒阻塞线程也是需要很多开销的。

非公平锁：

1. 非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。
2. 非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

两个锁的优劣：

• 优势：公平锁各线程平等，每个线程等待一段时间后，总有执行机会。非公平锁更快，吞吐量更大
• 劣势：公平锁更慢，吞吐量更新。非公平锁可能产生线程饥饿

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死锁

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 　　两个或两个以上的进程(线程)在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程(线程)称为死锁进程(线程)。

发生条件：缺一不可

1. 互斥：一个资源每次只能被一个线程使用
2. 请求与保持：线程持有已经分配给他们的资源，同时等待其他的资源
3. 不抢占：线程已经获取到的资源不会被其他线程强制抢占；
4. 环路等待：线程之间存在资源的环形依赖链，每个线程都依赖于链条中的下一个线程释放必要的资源，而链条的末尾又依赖了链条头部的线程，进入了一个循环等待的状态。

如何定位死锁：

　　jstack或jconsole获取线程栈，如果比较明显的死锁关系，工具可以直接检测。如果不明显，就可以分析线程栈看看相互依赖关系。线程栈包含了线程加锁信息，比如哪个线程获得了哪个锁，在哪个语句中获取的，以及正在等待或阻塞的线程是哪个等信息。

如何避免：

• 破坏环路等待：对加锁操作进行排序，让要申请资源的线程单向等待锁释放，无法形成环路
• 破坏请求与保持：一次性原子的获取所有需要的锁，比如通过全局锁作为加锁令牌控制加锁操作，只有获取了这个令牌才能执行加锁操作。这种方式会降低系统并发性，所有需要获取锁的线程都要去竞争同一个加锁令牌所。并且一开始就获取了所有的锁，导致线程持有锁的时间超出了实际需要，很多资源被长时间持有浪费。
• 破坏不抢占：让线程在获取后续的锁失败时，主动放弃自己已经持有的锁并在之后重试整个任务，这样其他等待这些锁的线程就可以继续执行。但是这样也会造成几个互相竞争的线程不断放弃、重试可能导致活锁。可以再重试操作加一个随机延迟时间，降低任务冲突的概率
• 破坏互斥：使用CAS或并发类，来避免互斥锁带来的开销和复杂性

活锁：

1. 线程并没有阻塞，始终在运行，但是程序并没有进展，因为线程再做重复的事情。而死锁是线程阻塞了都在相互等待资源释放。
2. 活锁的解决方式就是，线程的重试机制要变化，引入随机因素。不能让线程重试都是一样的机制，那么就是反复在执行相同的逻

防止死锁：

• 尽量使用 tryLock去获取锁，并设置超时时间，超时可以退出防止死锁。
• 尽量使用 Java. util. concurrent 并发类代替自己手写锁。
• 尽量降低锁的使用粒度，尽量不要几个功能用同一把锁。
• 尽量减少同步的代码块。