Java中各類鎖的原理解析

下圖彙總了各類鎖和其適用條件

1. 樂觀鎖 VS 悲觀鎖

        對於同一個數據的併發操做，悲觀鎖認爲本身在使用數據的時候必定有別的線程來修改數據，所以在獲取數據的時候會先加鎖，確保數據不會被別的線程修改。

       Java中，synchronized關鍵字和Lock的實現類都是悲觀鎖。

       而樂觀鎖認爲本身在使用數據時不會有別的線程修改數據，因此不會添加鎖!

樂觀鎖和悲觀鎖的調用方式示例：

/ ------------------------- 悲觀鎖的調用方式 -------------------------
// synchronized
public synchronized void testMethod() {
    // 操做同步資源
}
// ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 須要保證多個線程使用的是同一個鎖
public void modifyPublicResources() {
    lock.lock();
    // 操做同步資源
    lock.unlock();
}

// ------------------------- 樂觀鎖的調用方式 -------------------------
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 須要保證多個線程使用的是同一個AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //執行自增1

2. 自旋鎖 VS 適應性自旋鎖

       在許多場景中，同步資源的鎖定時間很短，爲了這一小段時間去切換線程，線程掛起和恢復現場的花費可能會讓系統得不償失。若是物理機器有多個處理器，可以讓兩個或以上的線程同時並行執行，咱們就可讓後面那個請求鎖的線程不放棄CPU的執行時間，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖。

       而爲了讓當前線程「稍等一下」，咱們需讓當前線程進行自旋，若是在自旋完成後前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼當前線程就能夠沒必要阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖。

      自旋鎖自己是有缺點的，它不能代替阻塞。自旋等待雖然避免了線程切換的開銷，但它要佔用處理器時間。若是鎖被佔用的時間很短，自旋等待的效果就會很是好。反之，若是鎖被佔用的時間很長，那麼自旋的線程只會白浪費處理器資源。因此，自旋等待的時間必需要有必定的限度，若是自旋超過了限定次數（默認是10次，可使用-XX:PreBlockSpin來更改）沒有成功得到鎖，就應當掛起線程。

      自旋鎖在JDK1.4.2中引入，使用-XX:+UseSpinning來開啓。JDK 6中變爲默認開啓，而且引入了自適應的自旋鎖（適應性自旋鎖）。

      自適應意味着自旋的時間（次數）再也不固定，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。若是在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功得到過鎖，而且持有鎖的線程正在運行中，那麼虛擬機就會認爲此次自旋也是頗有可能再次成功，進而它將容許自旋等待持續相對更長的時間。若是對於某個鎖，自旋不多成功得到過，那在之後嘗試獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，直接阻塞線程，避免浪費處理器資源。

在自旋鎖中 另有三種常見的鎖形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock

3. 無鎖 VS 偏向鎖 VS 輕量級鎖 VS 重量級鎖

這四種鎖是指鎖的狀態，專門針對synchronized的。在介紹這四種鎖狀態以前還須要介紹一些額外的知識。

首先爲何Synchronized能實現線程同步？

在回答這個問題以前咱們須要瞭解兩個重要的概念：「Java對象頭」、「Monitor」。

Java對象頭

synchronized是悲觀鎖，在操做同步資源以前須要給同步資源先加鎖，這把鎖就是存在Java對象頭裏的，而Java對象頭又是什麼呢？

咱們以Hotspot虛擬機爲例，Hotspot的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。

Mark Word：默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標誌位信息。這些信息都是與對象自身定義無關的數據，因此Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間內存存儲儘可能多的數據。它會根據對象的狀態複用本身的存儲空間，也就是說在運行期間Mark Word裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。

Klass Point：對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例。

Monitor

Monitor能夠理解爲一個同步工具或一種同步機制，一般被描述爲一個對象。每個Java對象就有一把看不見的鎖，稱爲內部鎖或者Monitor鎖。

Monitor是線程私有的數據結構，每個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯，同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的惟一標識，表示該鎖被這個線程佔用。

如今話題回到synchronized，synchronized經過Monitor來實現線程同步，Monitor是依賴於底層的操做系統的Mutex Lock（互斥鎖）來實現的線程同步。

如同咱們在自旋鎖中提到的「阻塞或喚醒一個Java線程須要操做系統切換CPU狀態來完成，這種狀態轉換須要耗費處理器時間。若是同步代碼塊中的內容過於簡單，狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長」。這種方式就是synchronized最初實現同步的方式，這就是JDK 6以前synchronized效率低的緣由。這種依賴於操做系統Mutex Lock所實現的鎖咱們稱之爲「重量級鎖」，JDK 6中爲了減小得到鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了「偏向鎖」和「輕量級鎖」。

因此目前鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。鎖狀態只能升級不能降級。

經過上面的介紹，咱們對synchronized的加鎖機制以及相關知識有了一個瞭解，那麼下面咱們給出四種鎖狀態對應的的Mark Word內容，而後再分別講解四種鎖狀態的思路以及特色：

 

鎖狀態	存儲內容	存儲內容
無鎖	對象的hashCode、對象分代年齡、是不是偏向鎖（0）	01
偏向鎖	偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡、是不是偏向鎖（1）	01
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針	00
重量級鎖	指向互斥量（重量級鎖）的指針	10

4. 公平鎖 VS 非公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖，線程直接進入隊列中排隊，隊列中的第一個線程才能得到鎖。公平鎖的優勢是等待鎖的線程不會餓死。缺點是總體吞吐效率相對非公平鎖要低，等待隊列中除第一個線程之外的全部線程都會阻塞，CPU喚醒阻塞線程的開銷比非公平鎖大。

非公平鎖是多個線程加鎖時直接嘗試獲取鎖，獲取不到纔會到等待隊列的隊尾等待。但若是此時鎖恰好可用，那麼這個線程能夠無需阻塞直接獲取到鎖，因此非公平鎖有可能出現後申請鎖的線程先獲取鎖的場景。非公平鎖的優勢是能夠減小喚起線程的開銷，總體的吞吐效率高，由於線程有概率不阻塞直接得到鎖，CPU沒必要喚醒全部線程。缺點是處於等待隊列中的線程可能會餓死，或者等好久纔會得到鎖。

5. 可重入鎖 VS 非可重入鎖

 可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，再進入該線程的內層方法會自動獲取鎖（前提鎖對象得是同一個對象或者class），不會由於以前已經獲取過還沒釋放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖，可重入鎖的一個優勢是可必定程度避免死鎖。下面用示例代碼來進行分析：

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("方法1執行...");
        doOthers();
    }

    public synchronized void doOthers() {
        System.out.println("方法2執行...");
    }
}

在上面的代碼中，類中的兩個方法都是被內置鎖synchronized修飾的，doSomething()方法中調用doOthers()方法。由於內置鎖是可重入的，因此同一個線程在調用doOthers()時能夠直接得到當前對象的鎖，進入doOthers()進行操做。

若是是一個不可重入鎖，那麼當前線程在調用doOthers()以前須要將執行doSomething()時獲取當前對象的鎖釋放掉，實際上該對象鎖已被當前線程所持有，且沒法釋放。因此此時會出現死鎖。

6. 獨享鎖(排它鎖) VS 共享鎖

       獨享鎖也叫排他鎖，是指該鎖一次只能被一個線程所持有。若是線程T對數據A加上排它鎖後，則其餘線程不能再對A加任何類型的鎖。得到排它鎖的線程即能讀數據又能修改數據。JDK中的synchronized和JUC中Lock的實現類就是互斥鎖。

       共享鎖是指該鎖可被多個線程所持有。若是線程T對數據A加上共享鎖後，則其餘線程只能對A再加共享鎖，不能加排它鎖。得到共享鎖的線程只能讀數據，不能修改數據。

       獨享鎖與共享鎖也是經過AQS來實現的，經過實現不一樣的方法，來實現獨享或者共享。

下圖爲ReentrantReadWriteLock的部分源碼：

 咱們看到ReentrantReadWriteLock有兩把鎖：ReadLock和WriteLock，由詞知意，一個讀鎖一個寫鎖，合稱「讀寫鎖」。再進一步觀察能夠發現ReadLock和WriteLock是靠內部類Sync實現的鎖。Sync是AQS的一個子類，這種結構在CountDownLatch、ReentrantLock、Semaphore裏面也都存在。

在ReentrantReadWriteLock裏面，讀鎖和寫鎖的鎖主體都是Sync，但讀鎖和寫鎖的加鎖方式不同。讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨享鎖。讀鎖的共享鎖可保證併發讀很是高效，而讀寫、寫讀、寫寫的過程互斥，由於讀鎖和寫鎖是分離的。因此ReentrantReadWriteLock的併發性相比通常的互斥鎖有了很大提高。

 

參考文章：https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html