必问系列 | 12张图带你彻底理解Java中的各种锁~
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2021-12-15 21:15
前文
大家好，我是小龙。
又和大家见面了~
今天想和大家聊聊关于Java中的各种锁，有幸在秋招面试中经常被问到这块，所以详细整理了一下和大家分享一下，下次面试遇到可以游刃有余~
再看正文之前，大家可以闭眼回想一下这样些个问题。
面试官：“对锁了解吗？谈谈你知道的锁？何为乐观锁？怎样实现？分段锁哪里有体现？这样设计有什么好处？”
如果你都能很快回忆起来，说明基础还是很扎实的。不过也不要急，可以继续往下看，说不定就有意外收获。
如果你感觉很模糊啦，那这篇文章正适合你，补录进行式，春招即将进行式。秋招没拿到理想offer的同学赶快收藏转发起来。
本篇精华涉猎：
悲观锁与乐观锁
悲观锁
何为悲观？永远处于一个消极悲观状态，因此悲观锁觉得并发操作每次都可能有问题，于是每次都会加锁。
稍微详细解释：
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一份数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁并发操作一定会出问题。
如图所示，假设现在有多个线程想操作同一个资源对象，可能有人就会想到使用互斥锁进行同步，而它的同步方式就是悲观的。认为如果不严格同步线程调用，便会出问题。因此，互斥锁会将资源锁定，只供一个线程使用。
乐观锁
何为乐观？永远处于乐观积极状态，因此乐观锁觉得并发操作期间是不会出问题的，操作数据不加锁，只会最后更新数据时检查数据有没有被修改，没有的话才更新。
通常乐观锁可以用CAS算法或则vision版本机制实现。在Java中，java.util.concurrent.atomic包下的原子类就是使用CAS实现的。
既然提到了CAS，这个也是面试高频问题，这里便将 CAS 做个简单介绍，可以将乐观锁和 CAS 二者联系起来理解。
CAS 是一种乐观锁实现机制，主要是三部分：内存值+旧的预期值+要修改的值。每次修改数据先比较内存中值与预期值是否相同，不同就自旋，相同才修改。实现依靠unsafe(里面全是native修饰的本地方法，可以直接调用操作系统)+lock cmpxchg(底层依靠硬件指令)。
如图，原本共享变量 old value=0 ，线程修改数据先比较内存中的值是否为0，若为0，代表没有线程占用，此时才修改为 new value=1，当其他线程到达，发现内存值与 old value 不一样了，便自旋等待。
CAS缺点：
可能造成 ABA (version)问题——当一个值从A被更新为B，然后又改回来，普通 CAS 机制发现不了。一直 while 浪费资源:若并发量高，许多线程反复尝试更新变量又更新不成功，循环往复，会给 CPU 带来高消耗。 不能保证代码块原子性:只能保证一个变量的原子操作，代码块要用 sychronized。
乐观锁与悲观锁的使用场景
这两种锁各有自己优缺点，只有在合适的场景使用合适的锁，才能将各自的优势最大化体现出来。
乐观锁适用于读多写少的场景，因为它是不加锁的，相较于悲观锁不用加锁、释放锁，节省了开销。但是若写多，冲突严重，可能导致线程一直 while 自旋，浪费资源，反而降低了性能。此时在这种写多读少的场景使用悲观锁就更合适。
独占锁和共享锁
独占锁
独享锁也叫排他锁，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK 中的 synchronized 和 JUC 中 Lock 的实现类就是互斥锁。
共享锁
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。
需要注意的是，对于Java ReentrantLock 而言，其是独享锁。但是对于 Lock 的另一个实现类 ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独占锁。
读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。
独占锁与共享锁也是通过 AQS 来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
对于 synchronized 而言，当然是独占锁。
公平锁和非公平锁
公平锁
公平锁 是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。
公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。
非公平锁
非公平锁 是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。
非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。
在Java中 synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 可以是非公平锁，也可以是公平锁，默认非公平锁。
//此处创建一个非公平锁，默认就是非公平，true 表示公平，false 表示公平。
Lock lock =new ReentrantLock(flase);
此处既然谈到了 synchronized和 ReentrantLock，那么，便顺便与Lock联系起来做个简单的对比。
来源：synchronized 是关键字，lock是一个接口，实现类进行锁操作。 是否知道获取锁：synchronized 无法判断锁的状态，lock 可以判断是否获得锁 (boolean b =lock.tryLock()；） 是否释放锁：synchronized 自动释放锁，lock 手动释放（容易死锁) lock.unlock()；synchronized 阻塞后，其他线程一直等待，lock有超时时间。 synchronized 可重入锁(多次获取同一把锁)，不可中断，非公平锁；lock，默认为非公平锁，可设置为公平。 调度机制：synchronized 使用 Object 对象本身的 wait 、 notify、notifyAll 调度机制，而 Lock 可以使用 Condition 进行线程之间的调度。 是否响应中断：lock 等待锁过程中可以用 interrupt 来中断等待，而 synchronized 只能等待锁的释放，不能响应中断。
分段锁
分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，具体在 ConcurrentHashMap JDK1.7 版本有所体现。其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。
何为分段锁？为何引入分段锁？
不妨同 Hashtable 进行比较，我们都知道 Hashtable 是并发安全的，但是它的效率却很低下，因为它将整个表都锁起来了。这样就使得很大程度降低了性能。而 ConcurrentHashMap JDK1.7 引入了分段锁。
一个 Segment 就相当于一把锁，它只锁住这个槽位，其他的并不受影响。ConcurrentHashMap 将 hash 表分为 16 个桶（默认值），诸如get，put，remove 等常用操作只锁当前需要用到的桶。
试想，原来 只能一个线程进入，现在却能同时16个写线程进入（写线程才需要锁定，而读线程几乎不受限制，之后会提到），并发性的提升是显而易见的。
ConcurrentHashMap JDK1.7 中 数据结构是由 Segment 数组+ HashEntry 数组+链表组成的。
Segment 继承了 ReentrantLock，一个 Segment[i] 就是一把分段锁。比起 Hashtable 锁粒度更细，性能更高。
一个Segment中包含一个HashEntry数组，每个HashEntry又是一个链表结构
static final class Segment<K,V> extens ReentrantLock implements Serializable{
transient volatile HashEntry[] tables;
//.....
}
static final class HashEntry<K,V>
{
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry next;
}
可重入锁
可重入锁 又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。
synchronized void getA() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
getB();
}
synchronized void getB() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
}
对于Java ReetrantLock 而言，从名字就可以看出是一个重入锁，其名字是Re entrant Lock 重新进入锁。对于 Synchronized 而言，也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。
此处是我分析 JDK 源码画的 AQS 源码解析流程图，可以带你很好的理解关于非公平锁和可重入锁内部具体实现。此处可能有点模糊，若有需要可以后台回复【AQS】领取。
自旋锁
自旋锁 是线程在没有获取到锁时不会立即阻塞，会一直while循环去尝试获取锁，这个便称为自旋。
自旋可以减少线程被挂起，从而减少线程上下文切换的消耗。
但是若锁被一个线程长时间占用，那么一直循环自旋，便会浪费系统资源，反而降低了整体性能。
小龙有话说
本文以图解方式给大家介绍了Java中的各种锁，这一块面试也特喜欢考，希望大家可以下来再多看看这块相关的知识~
如果喜欢这个图解系列文章的朋友欢迎留言，关注，小龙致力于以最通俗易懂的方式给大家分享知识~
我是小龙，我们下期见。
你要是愿意，我就永远爱你
你要是不愿意，我就永远相思
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