java中的锁（悲观锁、乐观锁、可重入锁、不可重入锁、公平锁、非公平锁、自旋锁、阻塞锁...）

Lock接口

1.简介、地位、作用

① 锁是一种工具，用于控制对共享资源的访问

② Lock和synchronized,这两个是最常见的锁，它们都可以达到线程安全的目的，但是在使用和功能上又有较大的不同

③ Lock并不是用来替代synchronized,而是当使用synchronized不合适或不满足要求的时候，来提供高级功能的

④ Lock接口最常见的实现类是ReentrantLock

⑤ 通常情况下，Lock只允许一个线程来访问这个共享资源，不过有的时候，一些特殊的实现也可允许并发访问，比如ReadWriteLock里面的ReadLock

2.为什么synchronized不够用？

① 效率低：锁的释放情况少，视图获得锁时不能设定超时，不能中断一个试图获得锁的线程

② 不够灵活(读写锁更灵活)：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

③ 无法知道是否成功获取到锁

3.方法介绍

lock()方法：

① lock()就是最普通的获取锁，如果锁已经被其他线程获取，则进行等待

② lock不会像synchronized一样在异常时自动释放锁，因此最佳实践是，在finally中释放锁，以保证在发生异常时锁一定被释放。

public class MustUnlock {private static Lock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行任务");} finally {lock.unlock();}}
}

③ lock()方法不能被中断，这会带来很大的隐患：一旦陷入死锁，lock()就会陷入永久等待

tryLock():

① tryLock()用来尝试获取锁，如果当前锁没有被其他线程占用，则获取成功，并返回true，否则返回false，代表获取锁失败

② 相比于lock,这个的方法显然更功能更强大了，我们可以根据是否能获取到锁来决定后续程序的行为

③ 该方法会立刻返回，即便在拿不到锁时不会一直在那等

/*** 描述： 用tryLock来避免死锁*/
public class TryLockDeadlock implements Runnable {int flag = 1;static Lock lock1 = new ReentrantLock();static Lock lock2 = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {TryLockDeadlock r1 = new TryLockDeadlock();TryLockDeadlock r2 = new TryLockDeadlock();r1.flag=1;r1.flag=0;new Thread(r1).start();new Thread(r2).start();}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {if (flag == 1) {try {if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.SECONDS)) {try {System.out.println("线程1获取到了锁1");Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));if (lock2.tryLock(800, TimeUnit.SECONDS)) {try {System.out.println("线程1获取到了锁2");System.out.println("线程1成功获取到了两把锁");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.SECONDS)) {try {System.out.println("线程2获取到了锁2");Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.SECONDS)) {try {System.out.println("线程2获取到了锁1");System.out.println("线程2成功获取到了两把锁");break;} finally {lock1.unlock();}} else {System.out.println("线程1获取锁2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，已重试");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

tryLock(long time,TimeUnit unit):

① 超时就放弃

② lockInterruptibly():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

public class LockInterruptibly implements Runnable {private Lock lock = new ReentrantLock();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();}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");try {lock.lockInterruptibly();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁");Thread.sleep(5000);} catch (InterruptedException e) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠期间被中断了");} finally {lock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");}} catch (InterruptedException e) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠期间被中断了");}}
}

③ unlock():解锁

4.可见性保证

① happens-before

② Lock的加解锁和synchronized有同样的内存语义，也就是说，下一个线程加锁后可以看到所有前一个线程解锁前发生所有操作

锁的分类

锁分类是从不同角度出发的，这些分类并不是互斥的，也就是多个类型并存，有可能一个锁，同时属于两种类型，比如ReentrantLock既是互斥锁，又是可重入锁

乐观锁和悲观锁

1.为什么会诞生非互斥同步锁，互斥同步锁的劣势

① 互斥同步锁的劣势

阻塞和唤醒带来的性能劣势
永久阻塞：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哪几个线程，将永远得不到执行
优先级反转

② 悲观锁

如果不锁住这个资源，别人就会来争抢，就会造成数据结果丢失，把数据锁住，让别人无法访问该数据，可以确保数据内容万无一失。

Java中悲观锁的实现是synchronized和Lock相关类

③ 乐观锁

认为自己在处理操作的时候不会有其他线程来干扰，所以并不会锁住被操作的对象

在更新的时候，去对比在我修改的期间数据有没有被其他人改变过：如果没被改变过，就说明真的只有我自己在操作，那我就正常去修改数据

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数据，那就不能继续刚才的更新数据过程了，我会选择放弃、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

2.典型的例子

悲观锁：悲观锁的实现是synchronized和lock接口

乐观锁：原子类、并发容器等

Git:Git就是乐观锁的典型的例子，当我们往远端仓库push的时候，git会检查远端仓库的版本是不是领先于我们现在的版本，如果远程仓库的版本号和本地的不一样，就表示有其他人修改了远端代码了，我们的这次提交就失败，如果远端和本地版本号一致，我们就可以顺利提交版本到远端仓库

数据库：

select for update就是悲观锁
用version控制数据库就是乐观锁

#添加一个字段lock_version,先查询这个更新语句的version:
select*from table
#然后
update set num = 2,version=version+1 where version=1 and id= 5;
#如果version被更新了等于2，不一样就会更新出错，这就是乐观锁的原理

3.开销对比

悲观锁的原始开销要高于乐观锁，但是特点是一劳永逸，临界区持锁时间就算越来越差，也不会对互斥锁的开销造成影响

相反，虽然乐观锁一开始的开销比悲观锁小，但是如果自旋时间很长或者不停重试，那么消耗的资源也会越来越多

4.各种锁的使用场景

悲观锁：适合并发写入多的情况，适用于临界区持锁比较长的情况，悲观锁可以避免大量的无用自旋等消耗，典型情况：

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

乐观锁：适合并发写入少，大部分是读取的场景，不加锁的能让读取性能大幅度提高

可重入锁和非可重入锁，以ReentrantLock为例（重点）

1.预定电影院座位

/*** 演示多线程预定电影院座位*/
public class CinemaBookSeat {private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private static void bookSeat(){lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始预定座位");Thread.sleep(1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"完成预定座位");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {new Thread(()->bookSeat()).start();new Thread(()->bookSeat()).start();new Thread(()->bookSeat()).start();new Thread(()->bookSeat()).start();}
}

2.打印字符串

/*** 演示ReentrantLock的基本用法，演示被打断*/
public class LockDemo {public static void main(String[] args) {new LockDemo().init();}private void init() {final Outputer outputer = new Outputer();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while (true) {try {Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}outputer.output("悟空");}}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {while (true) {try {Thread.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}outputer.output("大师兄");}}}).start();}static class Outputer {Lock lock = new ReentrantLock();public void output(String name) {int len = name.length();lock.lock();try {for (int i = 0; i < len; i++) {System.out.print(name.charAt(i));}System.out.println("");} finally {lock.unlock();}}}
}

3.什么是可重入锁

可重入锁，简单来说就是一个线程如果抢占到了互斥锁资源，在锁释放之前再去竞争同一把锁的时候，不需要等待，只需要记录重入次数。

在多线程并发编程里面，绝大部分锁都是可重入的，比如Synchronized、ReentrantLock等，但是也有不支持重入的锁，比如JDK8里面提供的读写锁StampedLock

好处：

避免死锁
提升封装性

public class RecursionDemo {private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void accessResource() {lock.lock();try {System.out.println("已经对资源进行了处理");if (lock.getHoldCount() < 5) {System.out.println(lock.getHoldCount());accessResource();System.out.println(lock.getHoldCount());}} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {accessResource();}
}

公平锁和非公平锁

1.什么是公平和非公平

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。

注意：非公平也同样不提倡"插队"行为，这里的非公平，指的是"在合适的时机"插队，而不是盲目的插队。

2.为什么要有公平锁

避免唤醒带来的空档期

3.公平的情况（以ReentrantLock为例）

如果在创建ReentrantLock对象时，参数填写为true,那么这个就是公平锁

假设线程1234是按顺调用lock()的

后续等待的线程会到wait queue里面，按照顺序依次执行

在线程1执行unlock()释放锁之后，由于此线程2的等待时间最久，所以线程2先得到执行，然后是线程3和线程4

4.不公平的情况（以ReentrantLock为例）

如果在线程1释放锁得时候，线程5恰好去执行lock()

由于ReentrantLock发现此时并没有线程持有lock这把锁（线程2还没来得及获取到，因为获取需要时间）

线程5可以插队，直接拿到这把锁，这也是ReentrantLock默认得公平策略，也就是"不公平"

5.演示公平和非公平的效果

/*** 演示公平和不公平两种情况*/
@SuppressWarnings("all")
public 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 < 10; i++) {thread[i].start();try {thread[i].sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}static class Job implements Runnable {PrintQueue printQueue;public Job(PrintQueue printQueue) {this.printQueue = printQueue;}@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始打印");printQueue.printJob(new Object());System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打印完毕");}}static class PrintQueue {private Lock queueLock = new ReentrantLock(true);//测试非共平时，参数为falsepublic 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();}}}
}

6.特例

针对treLock()方法，它不遵守设定的公平的规则

例如，当有线程执行tryLock（）的时候，一旦有线程释放了锁，那么这个正在tryLock的线程就能获取到锁，即使在它之前已经有其他线程在等待队列里了

7.对比公平和非公平的优缺点

共享锁和排他锁:以ReentrantReadWriteLock读写锁为例（重点）

1.什么是共享锁和排他锁

排他锁：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

2.读写锁的作用

共享锁和排他锁的典型是读写锁ReentrantReadWriteLock,其中读锁是共享锁，写锁是独享锁

在没有读写锁之前，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

3.读写锁的规则

① 多个线程只申请读锁，都可以申请到

② 如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁

③ 如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果要申请写锁或读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁

④ 简单总结：要么是一个或多个线程同时有读锁，要么是一个线程有写锁，但是两者不会同时出现（要么多读，要么一写）

4.ReentrantReadWriteLock具体用法

public class CinemaReadWrite {private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();public 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() + "释放读锁");readLock.unlock();}}public 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() + "释放写锁");writeLock.unlock();}}public static void main(String[] args) {new Thread(() -> read(), "Thread1").start();new Thread(() -> read(), "Thread2").start();new Thread(() -> write(), "Thread3").start();new Thread(() -> write(), "Thread4").start();}
}

5.读锁和写锁的交互方式

非公平：假设线程2和线程4正在同时读取，线程3想要写入，拿不到锁，于是进入等待队列，线程5不在队列里，现在过来想要读取

两种策略：

策略1：

读可以插队，效率高，容易造成饥饿

策略2：

避免饥饿

策略的选择取决于具体锁的实现，ReentrantReadWriteLock的实现是选择了策略2，是很明智的

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结点不是想获取写锁的线程的时候可以插队

自旋锁和阻塞锁

阻塞或者唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间

如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换的时间有可能比用户代码执行的时间还要长

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失

如果无机器有多个处理器，能够让两个或者以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面哪个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁

而为了让当前线程"稍等一下"，我们需让当前线程进行自旋，如果在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，直到被唤醒

1.自旋锁缺点

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

2.原理

在java1.5版本及以上的并发框架java.util.concurrent的atmic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，甚至修改成功

自己写一个简单的自旋锁：

public class SpinLock {private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();while (!sign.compareAndSet(null, current)) {System.out.println("自旋获取失败，再次尝试");}}public void unlock() {Thread current = Thread.currentThread();sign.compareAndSet(current, null);}public static void main(String[] args) {SpinLock spinLock = new SpinLock();Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取自旋锁");spinLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了自旋锁");try {Thread.sleep(300);} 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();}
}

3.自旋锁适用场景

① 自旋锁一般用于多核的服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞的效率高

② 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，很久以后才会释放），那也是不合适的

可中断锁：顾名思义，就是可以响应中断的锁

在java中，synchronized就不是可中断锁，而lock是可中断锁，因为tryLock(time)和lockInterruptibily都能响应中断

如果某一个线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以中断它，这种就是可中断锁

锁优化

1.自旋锁和自适应

2.锁消除

3.锁粗化

4.写代码时如何优化锁和提高并发性能

① 缩小同步代码块

② 尽量不要锁住方法

③ 减少请求锁的次数

④ 避免人为制造"热点（某些数据是共享的使用它就需要加锁，故意的让加锁解锁增多）"

⑤ 锁中尽量不要再包含锁

⑥ 选择合适的锁类型或合适的工具类