多线程——系列三 java锁

乐观锁

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为

别人不会修改，因此不会上锁，可是 在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数

据，采起在写时先读出当前版本号，而后加锁操做 （比较跟上一次的版本号，若是同样则更新），

若是失败则要重复读-比较-写的操做。

java 中的乐观锁基本都是经过 CAS 操做实现的，CAS 是一种更新的原子操做， 比较当前值跟传入

值是否同样，同样则更新，不然失败 。

 

悲观锁

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人

会修改，因此每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁。

java中的悲观锁就是 Synchronized ,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，

才会转换为悲观锁，如 RetreenLock。

 

自旋锁

自旋锁原理很是简单， 若是持有锁的线程能在很短期内释放锁资源，那么那些等待竞争锁

的线程就不须要作内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只须要等一等（自旋），

等持有锁的线程释放锁后便可当即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗 。

线程自旋是须要消耗 cup 的，说白了就是让 cup 在作无用功，若是一直获取不到锁，那线程

也不能一直占用 cup 自旋作无用功，因此须要设定一个自旋等待的最大时间。

若是持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会致使其它争用锁

的线程在最大等待时间内仍是获取不到锁，这时争用线程会中止自旋进入阻塞状态。

自旋锁的优缺点

自旋锁尽量的减小线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间很是短的代码块来

说性能能大幅度的提高，由于自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操做的消耗，这些操做会

致使线程发生两次上下文切换！

可是若是锁的竞争激烈，或者持有锁的线程须要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合

使用自旋锁了，由于自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 作无用功，占着 XX 不 XX，同时有大量

线程在竞争一个锁，会致使获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操做的消耗，

其它须要 cup 的线程又不能获取到 cpu，形成 cpu 的浪费。因此这种状况下咱们要关闭自旋锁；

自旋锁时间阈值 （ 1.6 引入了适应性自旋锁）

自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放，等到获取到锁当即进行处理。可是如何去选择

自旋的执行时间呢？若是自旋执行时间太长，会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源，进而

会影响总体系统的性能。所以自旋的周期选的额外重要！

JVM 对于自旋周期的选择，jdk1.5 这个限度是必定的写死的， 在 1.6 引入了适应性自旋锁 ，适应

性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了，而是 由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥

有者的状态来决定 ，基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间，同时 JVM 还针对当

前 CPU 的负荷状况作了较多的优化，若是平均负载小于 CPUs 则一直自旋，若是有超过(CPUs/2)

个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞，若是正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋

时间（自旋计数）或进入阻塞，若是 CPU 处于节电模式则中止自旋，自旋时间的最坏状况是 CPU

的存储延迟（CPU A 存储了一个数据，到 CPU B 得知这个数据直接的时间差），自旋时会适当放

弃线程优先级之间的差别。

 

自旋锁的开启

JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启；

-XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数；

JDK1.7 后，去掉此参数，由 jvm 控制；

 

Synchronized 同步锁

synchronized 它能够把任意一个非 NULL 的对象看成锁。 他属于独占式的悲观锁，同时属于可重

入锁。

Synchronized 做用范围

1. 做用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；

2. 看成用于静态方法时，锁住的是Class实例，又由于Class的相关数据存储在永久带PermGen

（jdk1.8 则是 metaspace），永久带是全局共享的，所以静态方法锁至关于类的一个全局锁，

会锁全部调用该方法的线程；

3. synchronized 做用于一个对象实例时，锁住的是全部以该对象为锁的代码块。它有多个队列，

当多个线程一块儿访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不一样的容器中。

Synchronized 核心组件

1) Wait Set：哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里；

2) Contention List： 竞争队列 ，全部请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；

3) Entry List：Contention List 中那些 有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中 ；

4) OnDeck：任意时刻， 最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为 OnDeck ；

5) Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner；

6) !Owner：当前释放锁的线程。

 

Synchronized 实现

1. JVM 每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者（OnDeck），可是并发状况下，

ContentionList 会被大量的并发线程进行 CAS 访问，为了下降对尾部元素的竞争，JVM 会将

一部分线程移动到 EntryList 中做为候选竞争线程。

2. Owner 线程会在 unlock 时，将 ContentionList 中的部分线程迁移到 EntryList 中，并指定

EntryList 中的某个线程为 OnDeck 线程（通常是最早进去的那个线程）。

3. Owner 线程并不直接把锁传递给 OnDeck 线程，而是把锁竞争的权利交给 OnDeck，

OnDeck 须要从新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，可是能极大的提高系统的吞吐量，在

JVM 中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。

4. OnDeck 线程获取到锁资源后会变为 Owner 线程，而没有获得锁资源的仍然停留在 EntryList

中。若是 Owner 线程被 wait 方法阻塞，则转移到 WaitSet 队列中，直到某个时刻经过 notify

或者 notifyAll 唤醒，会从新进去 EntryList 中。

5. 处于 ContentionList、EntryList、WaitSet 中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操做系统

来完成的（Linux 内核下采用 pthread_mutex_lock 内核函数实现的）。

6. Synchronized 是非公平锁 。 Synchronized 在线程进入 ContentionList 时， 等待的线程会先

尝试自旋获取锁，若是获取不到就进入 ContentionList ，这明显对于已经进入队列的线程是

不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占 OnDeck 线程的锁

资源

7. 每一个对象都有个 monitor 对象， 加锁就是在竞争 monitor 对象 ，代码块加锁是在先后分别加

上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的，方法加锁是经过一个标记位来判断的

8. synchronized 是一个重量级操做，须要调用操做系统相关接口 ，性能是低效的，有可能给线

程加锁消耗的时间比有用操做消耗的时间更多。

9. 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。引入了 偏向锁和轻量级锁 。都是在对象头中有标记位，不须要通过操做系统加锁。

10. 锁能够从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁 。这种升级过程叫作锁膨胀；

11. JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁，能够经过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。

 

ReentrantLock

ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法，他是一种可重入锁，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 接口的主要方法

1. void lock(): 执行此方法时, 若是锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁 . 相反, 若是锁已经

被其余线程持有, 将禁用当前线程, 直到当前线程获取到锁.

2. boolean tryLock()： 若是锁可用, 则获取锁, 并当即返回 true, 不然返回 false . 该方法和

lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 若是锁不可用, 不会致使当前线程被禁用,

当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是必定要获取到锁, 若是锁不可用, 就一

直等待, 在未得到锁以前,当前线程并不继续向下执行.

3. void unlock()：执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁 . 锁只能由持有者释放, 若是线程

并不持有锁, 却执行该方法, 可能致使异常的发生.

4. Condition newCondition()： 条件对象，获取等待通知组件 。该组件和当前的锁绑定，

当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的 await()方法，而调用后，当前线程将缩放锁。

5. getHoldCount() ：查询当前线程保持此锁的次数，也就是执行此线程执行 lock 方法的次

数。

6. getQueueLength（）：返回正等待获取此锁的线程估计数，好比启动 10 个线程，1 个

线程得到锁，此时返回的是 9

7. getWaitQueueLength：（Condition condition）返回等待与此锁相关的给定条件的线

程估计数。好比 10 个线程，用同一个 condition 对象，而且此时这 10 个线程都执行了

condition 对象的 await 方法，那么此时执行此方法返回 10

8. hasWaiters(Condition condition)：查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件

(condition)，对于指定 contidion 对象，有多少线程执行了 condition.await 方法

9. hasQueuedThread(Thread thread)：查询给定线程是否等待获取此锁

10. hasQueuedThreads()：是否有线程等待此锁

11. isFair()：该锁是否公平锁

12. isHeldByCurrentThread()： 当前线程是否保持锁锁定，线程的执行 lock 方法的先后分

别是 false 和 true

13. isLock()：此锁是否有任意线程占用

14. lockInterruptibly（）：若是当前线程未被中断，获取锁

15. tryLock（）：尝试得到锁，仅在调用时锁未被线程占用，得到锁

16. tryLock(long timeout TimeUnit unit)：若是锁在给定等待时间内没有被另外一个线程保持，

则获取该锁。

 

非公平锁

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。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

 

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，

ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁。

 

ReentrantLock 与 synchronized

1. 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。

2. ReentrantLock 相比 synchronized 的优点是可中断、公平锁、多个锁。这种状况下须要

使用 ReentrantLock。

public class MyService {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //Lock lock=new ReentrantLock(true);//公平锁
    //Lock lock=new ReentrantLock(false);//非公平锁
    private Condition condition=lock.newCondition();//建立 Condition
    public void testMethod() {
        try {
            lock.lock();//lock 加锁
            //1：wait 方法等待：
            //System.out.println("开始 wait");
            condition.await();
            //经过建立 Condition 对象来使线程 wait，必须先执行 lock.lock 方法得到锁
            //:2：signal 方法唤醒
            condition.signal();//condition 对象的 signal 方法能够唤醒 wait 线程
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ (" " + (i + 1)));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally
        
        {
            lock.unlock();
        }
    } 
}

Condition 类和 Object 类锁方法区别区别

1. Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效

2. Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效

3. Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效

4. ReentrantLock 类能够唤醒指定条件的线程，而 object 的唤醒是随机的

tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别

1. tryLock 能得到锁就返回 true，不能就当即返回 false，tryLock(long timeout,TimeUnit

unit)，能够增长时间限制，若是超过该时间段还没得到锁，返回 false

2. lock 能得到锁就返回 true，不能的话一直等待得到锁

3. lock 和 lockInterruptibly，若是两个线程分别执行这两个方法，但此时 中断这两个线程 ，

lock 不会抛出异常，而 lockInterruptibly 会抛出异常 。

 

Semaphore 信号量

Semaphore 是一种基于计数的信号量。它能够设定一个阈值，基于此，多个线程竞争获取许可信

号，作完本身的申请后归还，超过阈值后，线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 能够用来

构建一些对象池，资源池之类的，好比数据库链接池

实现互斥锁（计数器为 1 ）

咱们也能够建立计数为 1 的 Semaphore，将其做为一种相似 互斥锁的机制 ，这也叫二元信号量，

表示两种互斥状态。

public static void main(String[] args) {
    // 建立一个计数阈值为 5 的信号量对象
     // 只能 5 个线程同时访问
    Semaphore semp = new Semaphore(5);
    try { // 申请许可
        semp.acquire();
        try {
             // 业务逻辑
            
        } catch (Exception e) {
        } finally {
            // 释放许可
            semp.release();
        }
    } catch (InterruptedException e) {
    }
}

Semaphore 与 ReentrantLock

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

 

AtomicInteger

首先说明，此处 AtomicInteger ，一个提供原子操做的 Integer 的类，常见的还有

AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等，他们的实现原理相同，

区别在与运算对象类型的不一样。使人兴奋地，还能够经过 AtomicReference<V>将一个对象的所

有操做转化成原子操做。

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

可重入锁（递归锁）

本文里面讲的是广义上的可重入锁，而不是单指 JAVA 下的 ReentrantLock。 可重入锁，也叫

作递归锁，指的是同一线程 外层函数得到锁以后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受

影响 。在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁。

 

公平锁与非公平锁

公平锁（ Fair ）

加锁前检查是否有排队等待的线程，优先排队等待的线程，先来先得

非公平锁（ Nonfair ）

加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，获取不到自动到队尾等待

1. 非公平锁性能比公平锁高 5~10 倍，由于公平锁须要在多核的状况下维护一个队列

2. Java 中的 synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认的 lock()方法采用的是非公平锁

 

ReadWriteLock 读写锁

为了提升性能，Java 提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制 ，如

果没有写锁的状况下，读是无阻塞的,在必定程度上提升了程序的执行效率。读写锁分为读锁和写

锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，这是由 jvm 本身控制的，你只要上好相应的锁便可。

读锁

若是你的代码只读数据，能够不少人同时读，但不能同时写，那就上读锁

写锁

若是你的代码修改数据，只能有一我的在写，且不能同时读取，那就上写锁。总之，读的时候上

读锁，写的时候上写锁！

Java 中读写锁有个接口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock ，也有具体的实现

ReentrantReadWriteLock。

 

共享锁和独占锁

java 并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。

独占锁

独占锁模式下，每次只能有一个线程能持有锁，ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。

独占锁是一种悲观保守的加锁策略，它避免了读/读冲突，若是某个只读线程获取锁，则其余读线

程都只能等待，这种状况下就限制了没必要要的并发性，由于读操做并不会影响数据的一致性。

共享锁

共享锁则容许多个线程同时获取锁，并发访问 共享资源，如：ReadWriteLock。共享锁则是一种

乐观锁，它放宽了加锁策略，容许多个执行读操做的线程同时访问共享资源。

1. AQS 的内部类 Node 定义了两个常量 SHARED 和 EXCLUSIVE，他们分别标识 AQS 队列中等

待线程的锁获取模式。

2. java 的并发包中提供了 ReadWriteLock，读-写锁。它容许一个资源能够被多个读操做访问，

或者被一个 写操做访问，但二者不能同时进行。

 

重量级锁（ Mutex Lock ）

Synchronized 是经过对象内部的一个叫作监视器锁（monitor）来实现的。可是监视器锁本质又

是依赖于底层的操做系统的 Mutex Lock 来实现的。而操做系统实现线程之间的切换这就须要从用

户态转换到核心态，这个成本很是高，状态之间的转换须要相对比较长的时间，这就是为何

Synchronized 效率低的缘由。所以， 这种依赖于操做系统 Mutex Lock 所实现的锁咱们称之为

“重量级锁” 。JDK 中对 Synchronized 作的种种优化，其核心都是为了减小这种重量级锁的使用。

JDK1.6 之后，为了减小得到锁和释放锁所带来的性能消耗，提升性能，引入了“轻量级锁”和

“偏向锁”。

轻量级锁

锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

锁升级

随着锁的竞争，锁能够从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁（可是锁的升级是单向的，

也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级）。

“轻量级”是相对于使用操做系统互斥量来实现的传统锁而言的。可是，首先须要强调一点的是，

轻量级锁并非用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减小传统的重量

级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程以前，先明白一点 ，轻量级锁所适应的场

景是线程交替执行同步块的状况，若是存在同一时间访问同一锁的状况，就会致使轻量级锁膨胀

为重量级锁。

 

偏向锁

Hotspot 的做者通过以往的研究发现大多数状况下锁不只不存在多线程竞争，并且老是由同一线

程屡次得到。 偏向锁的目的是在某个线程得到锁以后，消除这个线程锁重入（CAS）的开销，看起

来让这个线程获得了偏护 。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的状况下尽可能减小没必要要的轻量级

锁执行路径，由于轻量级锁的获取及释放依赖屡次 CAS 原子指令， 而偏向锁只须要在置换

ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令 （因为一旦出现多线程竞争的状况就必须撤销偏向锁，所

以偏向锁的撤销操做的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗）。上面说过， 轻

量级锁是为了在线程交替执行同步块时提升性能 ， 而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进

一步提升性能

 

分段锁

分段锁也并不是一种实际的锁，而是一种思想 ConcurrentHashMap 是学习分段锁的最好实践

 

锁优化

减小锁持有时间

只用在有线程安全要求的程序上加锁

减少锁粒度

将大对象（这个对象可能会被不少线程访问），拆成小对象，大大增长并行度，下降锁竞争。

下降了锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提升。最最典型的减少锁粒度的案例就是

ConcurrentHashMap。

锁分离

最多见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock ，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互

斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提升了性能，具体也请查看[高并发 Java 五]

JDK 并发包 1。读写分离思想能够延伸，只要操做互不影响，锁就能够分离。好比

LinkedBlockingQueue 从头部取出，从尾部放数据

锁粗化

一般状况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每一个线程持有锁的时间尽可能短，即在使用完

公共资源后，应该当即释放锁。可是，凡事都有一个度， 若是对同一个锁不停的进行请求、同步

和释放，其自己也会消耗系统宝贵的资源，反而不利于性能的优化 。

锁消除

锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时，若是发现不可能被共享的对象，则能够消除这

些对象的锁操做，多数是由于程序员编码不规范引发