高并发编程系列：4种经常使用Java线程锁的特色，性能比较、使用场景

转载自：高并发编程系列：4种经常使用Java线程锁的特色，性能比较、使用场景

多线程的原因

在出现了进程以后，操做系统的性能获得了大大的提高。虽然进程的出现解决了操做系统的并发问题，可是人们仍然不知足，人们逐渐对实时性有了要求。

使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种很是花销小，切换快，更”节俭”的多任务操做方式。

 

在Linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，创建众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种”昂贵”的多任务工做方式。而在进程中的同时运行多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，并且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所须要的时间。

多线程并发面临的问题

因为多个线程是共同占有所属进程的资源和地址空间的，那么就会存在一个问题：

若是多个线程要同时访问某个资源，怎么处理？

在Java并发编程中，常常遇到多个线程访问同一个 共享资源 ，这时候做为开发者必须考虑如何维护数据一致性，这就是Java锁机制(同步问题)的来源。

 

Java提供了多种多线程锁机制的实现方式，常见的有：

1.  synchronized
2.  ReentrantLock
3.  Semaphore
4.  AtomicInteger等

每种机制都有优缺点与各自的适用场景，必须熟练掌握他们的特色才能在Java多线程应用开发时驾轻就熟。

4种Java线程锁(线程同步)

 

1.synchronized

 

在Java中synchronized关键字被经常使用于维护数据一致性。

 

synchronized机制是给共享资源上锁，只有拿到锁的线程才能够访问共享资源，这样就能够强制使得对共享资源的访问都是顺序的。

Java开发人员都认识synchronized，使用它来实现多线程的同步操做是很是简单的，只要在须要同步的对方的方法、类或代码块中加入该关键字，它可以保证在同一个时刻最多只有一个线程执行同一个对象的同步代码，可保证修饰的代码在执行过程当中不会被其余线程干扰。使用synchronized修饰的代码具备原子性和可见性，在须要进程同步的程序中使用的频率很是高，能够知足通常的进程同步要求。

synchronized (obj) {

//方法

…….

}

synchronized实现的机理依赖于软件层面上的JVM，所以其性能会随着Java版本的不断升级而提升。

到了Java1.6，synchronized进行了不少的优化，有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等，效率有了本质上的提升。在以后推出的Java1.7与1.8中，均对该关键字的实现机理作了优化。

 

须要说明的是，当线程经过synchronized等待锁时是不能被Thread.interrupt()中断的，所以程序设计时必须检查确保合理，不然可能会形成线程死锁的尴尬境地。

 

最后，尽管Java实现的锁机制有不少种，而且有些锁机制性能也比synchronized高，但仍是强烈推荐在多线程应用程序中使用该关键字，由于实现方便，后续工做由JVM来完成，可靠性高。只有在肯定锁机制是当前多线程程序的性能瓶颈时，才考虑使用其余机制，如ReentrantLock等。

 

2.ReentrantLock

可重入锁，顾名思义，这个锁能够被线程屡次重复进入进行获取操做。

ReentantLock继承接口Lock并实现了接口中定义的方法，除了能完成synchronized所能完成的全部工做外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

 

Lock实现的机理依赖于特殊的CPU指定，能够认为不受JVM的约束，并能够经过其余语言平台来完成底层的实现。在并发量较小的多线程应用程序中，ReentrantLock与synchronized性能相差无几，但在高并发量的条件下，synchronized性能会迅速降低几十倍，而ReentrantLock的性能却能依然维持一个水准。

所以咱们建议在高并发量状况下使用ReentrantLock。

 

ReentrantLock引入两个概念：公平锁与非公平锁。

 

公平锁指的是锁的分配机制是公平的，一般先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁。反之，JVM按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁。

ReentrantLock在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式，默认为非公平锁。这是由于，非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁，除非程序有特殊须要，不然最经常使用非公平锁的分配机制。

ReentrantLock经过方法lock()与unlock()来进行加锁与解锁操做，与synchronized会被JVM自动解锁机制不一样，ReentrantLock加锁后须要手动进行解锁。为了不程序出现异常而没法正常解锁的状况，使用ReentrantLock必须在finally控制块中进行解锁操做。一般使用方式以下所示：

Lock lock = new ReentrantLock();

try {

lock.lock();

//…进行任务操做5 }

finally {

lock.unlock();

}

 

3.Semaphore

上述两种锁机制类型都是“互斥锁”，学过操做系统的都知道，互斥是进程同步关系的一种特殊状况，至关于只存在一个临界资源，所以同时最多只能给一个线程提供服务。可是，在实际复杂的多线程应用程序中，可能存在多个临界资源，这时候咱们能够借助Semaphore信号量来完成多个临界资源的访问。

Semaphore基本能完成ReentrantLock的全部工做，使用方法也与之相似，经过acquire()与release()方法来得到和释放临界资源。

经实测，Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁，与ReentrantLock.lockInterruptibly()做用效果一致，也就是说在等待临界资源的过程当中能够被Thread.interrupt()方法中断。

此外，Semaphore也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能，除了方法名tryAcquire与tryLock不一样，其使用方法与ReentrantLock几乎一致。Semaphore也提供了公平与非公平锁的机制，也可在构造函数中进行设定。

Semaphore的锁释放操做也由手动进行，所以与ReentrantLock同样，为避免线程因抛出异常而没法正常释放锁的状况发生，释放锁的操做也必须在finally代码块中完成。

4.AtomicInteger

首先说明，此处AtomicInteger是一系列相同类的表明之一，常见的还有AtomicLong、AtomicLong等，他们的实现原理相同，区别在与运算对象类型的不一样。

咱们知道，在多线程程序中，诸如++i
或
i++等运算不具备原子性，是不安全的线程操做之一。一般咱们会使用synchronized将该操做变成一个原子操做，但JVM为此类操做特地提供了一些同步类，使得使用更方便，且使程序运行效率变得更高。经过相关资料显示，一般AtomicInteger的性能是ReentantLock的好几倍。

Java线程锁总结

1.synchronized：

在资源竞争不是很激烈的状况下，偶尔会有同步的情形下，synchronized是很合适的。缘由在于，编译程序一般会尽量的进行优化synchronize，另外可读性很是好。

 

2.ReentrantLock:

在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。可是当同步很是激烈的时候，synchronized的性能一会儿能降低好几十倍，而ReentrantLock确还能维持常态。

高并发量状况下使用ReentrantLock。

 

3.Atomic:

和上面的相似，不激烈状况下，性能比synchronized略逊，而激烈的时候，也能维持常态。激烈的时候，Atomic的性能会优于ReentrantLock一倍左右。可是其有一个缺点，就是只能同步一个值，一段代码中只能出现一个Atomic的变量，多于一个同步无效。由于他不能在多个Atomic之间同步。

因此，咱们写同步的时候，优先考虑synchronized，若是有特殊须要，再进一步优化。ReentrantLock和Atomic若是用的很差，不只不能提升性能，还可能带来灾难。

以上就是Java线程锁的详解，除了从编程的角度应对高并发，更多还须要从架构设计的层面来应对高并发场景，例如：Redis缓存、CDN、异步消息等，详细的内容以下。