Java核心（三）并发中的线程同步与锁
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樂觀鎖、悲觀鎖、公平鎖、自旋鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖、鎖膨脹...難理解？不存的！來，話不多說，帶你飆車。
上一篇介紹了線程池的使用，在享受線程池帶給我們的性能優(yōu)勢之外，似乎也帶來了另一個問題：線程安全的問題。
那什么是線程的安全問題呢？
一、線程安全問題的產(chǎn)生
線程安全問題：指的是在多線程編程中，同時操作同一個可變的資源之后，造成的實際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致的問題。
比如：A和B同時向C轉(zhuǎn)賬10萬元。如果轉(zhuǎn)賬操作不具有原子性，A在向C轉(zhuǎn)賬時，讀取了C的余額為20萬，然后加上轉(zhuǎn)賬的10萬，計算出此時應(yīng)該有30萬，但還未來及將30萬寫回C的賬戶，此時B的轉(zhuǎn)賬請求過來了，B發(fā)現(xiàn)C的余額為20萬，然后將其加10萬并寫回。然后A的轉(zhuǎn)賬操作繼續(xù)——將30萬寫回C的余額。這種情況下C的最終余額為30萬，而非預(yù)期的40萬。
如果上面的內(nèi)容您還沒有理解，沒關(guān)系，我們來看下面非安全線程的模擬代碼：
public class ThreadSafeSample {public int number;public void add() {for (int i = 0; i < 100000; i++) {int former = number++;int latter = number;if (former != latter-1){System.out.printf("非相等 former=" + former + " latter=" + latter);}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadSafeSample threadSafeSample = new ThreadSafeSample();Thread threadA = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {threadSafeSample.add();}});Thread threadB = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {threadSafeSample.add();}});threadA.start();threadB.start();threadA.join();threadB.join();} }我電腦運(yùn)行的結(jié)果： 非相等 => former=5555 latter=6061
可以看到，僅僅是兩個線程的低度并發(fā)，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情況。這是因為，在兩次取值的過程中，其他線程可能已經(jīng)修改了number.
二、線程安全的解決方案
線程安全的解決方案分為以下幾個維度（參考《碼出高效：Java開發(fā)手冊》）：
- 數(shù)據(jù)單線程可見（單線程操作自己的數(shù)據(jù)是不存在線程安全問題的，ThreadLocal就是采用這種解決方案）；
- 數(shù)據(jù)只讀；
- 使用線程安全類（比如StringBuffer就是一個線程安全類，內(nèi)部是使用synchronized實現(xiàn)的）；
- 同步與鎖機(jī)制；
解決線程安全核心思想是：“要么只讀，要么加鎖”，解決線程安全的關(guān)鍵在于合理的使用Java提供的線程安全包java.util.concurrent簡稱JUC。
三、線程同步與鎖
Java 5 以前，synchronized是僅有的同步手段，Java 5的時候增加了ReentrantLock（再入鎖）它的語義和synchronized基本相同，比synchronized更加靈活，可以做到更多的細(xì)節(jié)控制，比如鎖的公平性/非公平性指定。
3.1 synchronized
synchronized 是 Java 內(nèi)置的同步機(jī)制，它提供了互斥的語義和可見性，當(dāng)一個線程已經(jīng)獲取當(dāng)前鎖時，其他試圖獲取的線程只能等待或者阻塞在那里。
3.1.1 synchronized 使用
synchronized 可以用來修飾方法和代碼塊。
3.1.1.1 修飾代碼塊
synchronized (this) {int former = number++;int latter = number;//... }3.1.1.2 修飾方法
public synchronized void add() {//... }3.1.2 synchronized 底層實現(xiàn)原理
synchronized 是由一對 monitorenter/monitorexit 指令實現(xiàn)的，Monitor 對象是同步的基本實現(xiàn)單元。在 Java 6 之前，Monitor的實現(xiàn)完全是依靠操作系統(tǒng)內(nèi)部的互斥鎖，因為需要進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，所以同步操作是一個無差別的重量級操作，性能也很低。但在Java 6的時候，JVM 對此進(jìn)行了大刀闊斧地改進(jìn)，提供了三種不同的 Monitor 實現(xiàn)，也就是常說的三種不同的鎖：偏向鎖（Biased Locking）、輕量級鎖和重量級鎖，大大改進(jìn)了其性能。
3.1.2.1 偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖
偏向鎖是為了解決在沒有多線程的訪問下，盡量減少鎖帶來的性能開銷。
輕量級鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時候，被另一個線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提高性能。
重量級鎖是指當(dāng)鎖為輕量級鎖的時候，另一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時候，還沒有獲取到鎖，就會進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。
3.1.2.2 鎖膨脹（升級）原理
Java 6 之后優(yōu)化了 synchronized 實現(xiàn)方式，使用了偏向鎖升級為輕量級鎖再升級到重量級鎖的方式，減低了鎖帶來的性能消耗，也就是我們常說的鎖膨脹或者叫鎖升級，那么它是怎么實現(xiàn)鎖升級的呢？
鎖膨脹（升級）原理： 在鎖對象的對象頭里面有一個ThreadId字段，在第一次訪問的時候ThreadId為空，JVM讓其持有偏向鎖，并將ThreadId設(shè)置為其線程id，再次進(jìn)入的時候會先判斷ThreadId是否尤其線程id一致，如果一致則可以直接使用，如果不一致，則升級偏向鎖為輕量級鎖，通過自旋循環(huán)一定次數(shù)來獲取鎖，不會堵塞，執(zhí)行一定次數(shù)之后就會升級為重量級鎖，進(jìn)入堵塞，整個過程就是鎖膨脹（升級）的過程。
3.1.2.3 自旋鎖
自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點(diǎn)是循環(huán)會消耗CPU。
3.1.2.4 樂觀鎖/悲觀鎖
悲觀鎖和樂觀鎖并不是某個具體的“鎖”而是一種是并發(fā)編程的基本概念。
悲觀鎖認(rèn)為對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定是會發(fā)生修改的，哪怕沒有修改，也會認(rèn)為修改。因此對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認(rèn)為，不加鎖的并發(fā)操作一定會出問題。
樂觀鎖則與 Java 并發(fā)包中的 AtomicFieldUpdater 類似，也是利用 CAS 機(jī)制，并不會對數(shù)據(jù)加鎖，而是通過對比數(shù)據(jù)的時間戳或者版本號，來實現(xiàn)樂觀鎖需要的版本判斷。
3.1.2.5 公平鎖/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。
非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序并不是按照申請鎖的順序，有可能后申請的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖。
如果使用 synchronized 使用的是非公平鎖，是不可設(shè)置的，這也是主流操作系統(tǒng)線程調(diào)度的選擇。通用場景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默認(rèn)的調(diào)度策略很少會導(dǎo)致 “饑餓”發(fā)生。非公平鎖的吞吐量大于公平鎖。
非公平鎖吞吐量大于公平鎖的原因：
比如A占用鎖的時候，B請求獲取鎖，發(fā)現(xiàn)被A占用之后，堵塞等待被喚醒，這個時候C同時來獲取A占用的鎖，如果是公平鎖C后來者發(fā)現(xiàn)不可用之后一定排在B之后等待被喚醒，而非公平鎖則可以讓C先用，在B被喚醒之前C已經(jīng)使用完成，從而節(jié)省了C等待和喚醒之間的性能消耗，這就是非公平鎖比公平鎖吞吐量大的原因。
3.2 ReentrantLock
ReentrantLock只能修飾代碼塊，使用ReentrantLock必須手動unlock釋放鎖，不然鎖永遠(yuǎn)會被占用。
3.2.1 ReentrantLock 使用
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); // 設(shè)置為true為公平鎖，默認(rèn)是非公平鎖 reentrantLock.lock(); try {}finally {reentrantLock.unlock(); }3.2.2 ReentrantLock 優(yōu)勢
-
具備嘗試非阻塞地獲取鎖的特性：當(dāng)前線程嘗試獲取鎖，如果這一時刻鎖沒有被其他線程獲取到，則成功獲取并持有鎖；
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能被中斷地獲取鎖的特性：與synchronized不同，獲取到鎖的線程能夠響應(yīng)中斷，當(dāng)獲取到鎖的線程被中斷時，中斷異常將會被拋出，同時鎖會被釋放；
-
超時獲取鎖的特性：在指定的時間范圍內(nèi)獲取鎖；如果截止時間到了仍然無法獲取鎖則返回。
3.2.3 ReentrantLock 注意事項
- 在finally中釋放鎖，目的是保證在獲取鎖之后，最終能夠被釋放；
- 不要將獲取鎖的過程寫在try塊內(nèi)，因為如果在獲取鎖時發(fā)生了異常，異常拋出的同時，也會導(dǎo)致鎖無故被釋放；
- ReentrantLock提供了一個newCondition的方法，以便用戶在同一鎖的情況下可以根據(jù)不同的情況執(zhí)行等待或喚醒的動作；
3.3 synchronized和ReentrantLock區(qū)別
從性能角度，synchronized 早期的實現(xiàn)比較低效，對比 ReentrantLock，大多數(shù)場景性能都相差較大。但是在 Java 6 中對其進(jìn)行了非常多的改進(jìn)，在高競爭情況下，ReentrantLock 仍然有一定優(yōu)勢。在大多數(shù)情況下，無需太糾結(jié)于性能，還是考慮代碼書寫結(jié)構(gòu)的便利性、可維護(hù)性等。
主要區(qū)別如下：
參考資料
《碼出高效：Java開發(fā)手冊》
Java核心技術(shù)36講：http://t.cn/EwUJvWA
Java中的鎖分類：https://www.cnblogs.com/qifengshi/p/6831055.html
課程推薦：
轉(zhuǎn)載于:https://my.oschina.net/u/3471412/blog/2906818
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Java核心（三）并发中的线程同步与锁的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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