Java中的锁详解
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2021-04-17 19:13
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Lock和synchronized
锁是一种工具，用于控制对共享资源的访问
Lock和synchronized，这两个是最创建的锁，他们都可以达到线程安全的目的，但是使用和功能上有较大不同
Lock不是完全替代synchronized的，而是当使用synchronized不合适或不足以满足要求的时候，提供高级功能
Lock 最常见的是ReentrantLock实现
为啥需要Lock
syn效率低：锁的释放情况少，试图获得锁时不能设定超时，不能中断一个正在试图获得锁的线程
不够灵活，加锁和释放的时机单一，每个锁仅有一个单一的条件(某个对象),可能是不够的
无法知道是否成功获取到锁
主要方法
Lock();
最普通的获取锁，最佳实践是finally中释放锁，保证发生异常的时候锁一定被释放
/**
* 描述：Lock不会像syn一样，异常的时候自动释放锁
* 所以最佳实践是finally中释放锁，保证发生异常的时候锁一定被释放
*/
private static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
lock.lock();
try {
//获取本锁保护的资源
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行任务");
} finally {
lock.unlock();
}
}tryLock(long time,TimeUnit unit)；超时就放弃
用来获取锁，如果当前锁没有被其它线程占用，则获取成功，则返回true，否则返回false，代表获取锁失败
/**
* 描述：用TryLock避免死锁
*/
static class TryLockDeadlock implements Runnable {
int flag = 1;
static Lock lock1 = new ReentrantLock();
static Lock lock2 = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
if (flag == 1) {
try {
if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
try {
System.out.println("线程1获取到了锁1");
Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
if (lock2.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
try {
System.out.println("线程1获取到了锁2");
System.out.println("线程1成功获取到了2把锁");
break;
}finally {
lock2.unlock();
}
}else{
System.out.println("线程1获取锁2失败，已重试");
}
} finally {
lock1.unlock();
Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
}
} else {
System.out.println("线程1获取锁1失败，已重试");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (flag == 0) {
try {
if (lock2.tryLock(3000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
try {
System.out.println("线程2获取到了锁2");
Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
if (lock1.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
try {
System.out.println("线程2获取到了锁1");
System.out.println("线程2成功获取到了2把锁");
break;
}finally {
lock1.unlock();
}
}else{
System.out.println("线程2获取锁1失败，已重试");
}
} finally {
lock2.unlock();
Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
}
} else {
System.out.println("线程2获取锁2失败，已经重试");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
TryLockDeadlock r1 = new TryLockDeadlock();
TryLockDeadlock r2 = new TryLockDeadlock();
r1.flag = 1;
r2.flag = 0;
new Thread(r1).start();
new Thread(r2).start();
}
}
执行结果：
线程1获取到了锁1
线程2获取到了锁2
线程1获取锁2失败，已重试
线程2获取到了锁1
线程2成功获取到了2把锁
线程1获取到了锁1
线程1获取到了锁2
线程1成功获取到了2把锁lockInterruptibly(); 中断
相当于tryLock(long time,TimeUnit unit) 把超时时间设置为无限，在等待锁的过程中，线程可以被中断
/**
* 描述：获取锁的过程中，中断了
*/
static class LockInterruptibly implements Runnable {
private Lock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");
try {
lock.lockInterruptibly();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁");
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠中被中断了");
} finally {
lock.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等锁期间被中断了");
}
}
public static void main(String[] args) {
LockInterruptibly lockInterruptibly = new LockInterruptibly();
Thread thread0 = new Thread(lockInterruptibly);
Thread thread1 = new Thread(lockInterruptibly);
thread0.start();
thread1.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread0.interrupt();
}
}
执行结果：
Thread-0尝试获取锁
Thread-1尝试获取锁
Thread-0获取到了锁
Thread-0睡眠中被中断了
Thread-0释放了锁
Thread-1获取到了锁
Thread-1释放了锁Java锁分类：
乐观锁和悲观锁：
乐观锁：
比较乐观，认为自己在处理操作的时候，不会有其它线程来干扰，所以并不会锁住操作对象
在更新的时候，去对比我修改期间的数据有没有被改变过，如没有，就正常的修改数据
如果数据和我一开始拿到的不一样了，说明其他人在这段时间内改过，会选择放弃，报错，重试等策略
乐观锁的实现一般都是利用CAS算法来实现的
劣势：
可能造成ABA问题，就是不知道是不是修改过
使用场景：
适合并发写入少的情况，大部分是读取的场景，不加锁的能让读取的性能大幅提高
悲观锁：
比较悲观，认为如果我不锁住这个资源，别人就会来争抢，就会造成数据结果错误，所以它会锁住操作对象，Java中悲观锁的实现就是syn和Lock相关类
劣势：
阻塞和唤醒带来的性能劣势
如果持有锁的线程被永久阻塞，比如遇到了无限循环，死锁等活跃性问题，那么等待该线程释放锁的那几个线程，永远也得不到执行
优先级反转，优先级低的线程拿到锁不释放或释放的比较慢，就会造成这个问题
使用场景：
适合并发写入多的情况，适用于临界区持锁时间比较长的情况：
临界区有IO操作
临界区代码复杂或者循环量大
临界区竞争非常激烈
可重入锁：
可重入就是说某个线程已经获得某个锁，可以再次获取锁而不会出现死锁
ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁
// 递归调用演示可重入锁
static class RecursionDemo{
public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static void accessResource(){
lock.lock();
try {
System.out.println("已经对资源处理了");
if (lock.getHoldCount() < 5){
System.out.println("已经处理了"+lock.getHoldCount()+"次");
accessResource();
}
}finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
new RecursionDemo().accessResource();
}
}
执行结果：
已经对资源处理了
已经处理了1次
已经对资源处理了
已经处理了2次
已经对资源处理了
已经处理了3次
已经对资源处理了
已经处理了4次
已经对资源处理了ReentrantLock的其它方法
isHeldByCurrentThread 可以看出锁是否被当前线程持有
getQueueLength()可以返回当前正在等待这把锁的队列有多长，一般这两个方法是开发和调试时候使用，上线后用到的不多
公平锁和非公平锁
公平指的是按照线程请求的顺序，来分配锁；
非公平指的是，不完全按照请求的顺序，在一定情况下，可以插队
非公平锁可以避免唤醒带来的空档期
/**
* 描述：演示公平锁和非公平锁
*/
class FairLock{
public static void main(String[] args) {
PrintQueue printQueue = new PrintQueue();
Thread[] thread = new Thread[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
thread[i] = new Thread(new Job(printQueue));
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
thread[i].start();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Job implements Runnable{
PrintQueue printQueue;
public Job(PrintQueue printQueue) {
this.printQueue = printQueue;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始打印");
printQueue.printJob(new Object());
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印完成");
}
}
class PrintQueue{
// true 公平，false是非公平
private Lock queueLock = new ReentrantLock(true);
public void printJob(Object document){
queueLock.lock();
try {
int duration = new Random().nextInt(10)+1;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
Thread.sleep(duration * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
queueLock.unlock();
}
queueLock.lock();
try {
int duration = new Random().nextInt(10)+1;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
Thread.sleep(duration * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
queueLock.unlock();
}
}
}
执行结果：
Thread-0开始打印
Thread-0正在打印，需要10秒
Thread-1开始打印
Thread-2开始打印
Thread-3开始打印
Thread-4开始打印
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-2正在打印，需要2秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-4正在打印，需要4秒
Thread-0正在打印，需要2秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要7秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要8秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要3秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成
true改为false演示非公平锁：
Lock queueLock = new ReentrantLock(false);
执行结果：
Thread-0正在打印，需要7秒
Thread-1开始打印
Thread-2开始打印
Thread-3开始打印
Thread-4开始打印
Thread-0正在打印，需要9秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要3秒
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要4秒
Thread-2正在打印，需要7秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要10秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要7秒
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成共享锁和排它锁：
排它锁，又称为独占锁，独享锁
共享锁，又称为读锁，获得共享锁之后，可以查看但无法修改和删除数据，其他线程此时也可以获取到共享锁，也可以查看但无法修改和删除数据
共享锁和排它锁的典型是读写锁 ReentrantReadWriteLock,其中读锁是共享锁，写锁是独享锁
读写锁的作用：
在没有读写锁之前，我们假设使用ReentrantLock，那么虽然我们保证了线程安全，但是也浪费了一定的资源：多个读操作同时进行，并没有线程安全问题
在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的，提高了程序的执行效率
读写锁的规则：
多个线程值申请读锁，都可以申请到
要么一个或多个一起读，要么一个写，两者不会同时申请到，只能存在一个写锁
/**
* 描述：演示可以多个一起读，只能一个写
*/
class CinemaReadWrite{
private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();
private static void read(){
readLock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了读锁，正在读取");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了读锁");
readLock.unlock();
}
}
private static void write(){
writeLock.lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了写锁，正在写入");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁");
writeLock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(()-> read(),"Thrad1").start();
new Thread(()-> read(),"Thrad2").start();
new Thread(()-> write(),"Thrad3").start();
new Thread(()-> write(),"Thrad4").start();
}
}
执行结果：
Thrad1得到了读锁，正在读取
Thrad2得到了读锁，正在读取
Thrad2释放了读锁
Thrad1释放了读锁
Thrad3得到了写锁，正在写入
Thrad3释放了写锁
Thrad4得到了写锁，正在写入
Thrad4释放了写锁读锁和写锁的交互方式：
读锁插队策略：
公平锁：不允许插队
非公平锁：写锁可以随时插队，读锁仅在等待队列头节点不是想获取写锁线程的时候可以插队
自旋锁和阻塞锁
让当前线程进行自旋，如果自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
阻塞锁和自旋锁相反，阻塞锁如果遇到没拿到锁的情况，会直接把线程阻塞，知道被唤醒
自旋缺点：
如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源
在自旋的过程中，一直消耗cpu，所以虽然自旋锁的起始开销低于悲观锁，但是随着自旋的时间增长，开销也是线性增长的
原理：
在Java1.5版本及以上的并发框架java.util.concurrent 的atmoic包下的类基本都是自旋锁的实现
AtomicInteger的实现：自旋锁的实现原理是CAS,AtomicInteger中调用unsafe 进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改过程中遇到其他线程竞争导致没修改成功，就在while里死循环直至修改成功
/**
* 描述：自旋锁演示
*/
class SpinLock{
private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
public void lock(){
Thread currentThread = Thread.currentThread();
while (!sign.compareAndSet(null,currentThread)){
System.out.println("自旋获取失败，再次尝试");
}
}
public void unLock(){
Thread currentThread = Thread.currentThread();
sign.compareAndSet(currentThread,null);
}
public static void main(String[] args) {
SpinLock spinLock = new SpinLock();
Runnable runnable = new Runnable(){
@Override
public void run(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始尝试自旋锁");
spinLock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到了自旋锁");
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
spinLock.unLock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放了自旋锁");
}
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);
Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行结果：
Thread-0开始尝试自旋锁
Thread-0获取到了自旋锁
Thread-1开始尝试自旋锁
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
Thread-0释放了自旋锁
Thread-1获取到了自旋锁
Thread-1释放了自旋锁使用场景：
自旋锁一般用于多核服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞锁的效率要高
另外，自旋锁适用于临界区比较短小的情况，否则如果临界区很大(线程一旦拿到锁，很久之后才会释放)，那也是不合适的
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