java多线程-锁的介绍

多线程中常用锁

• • 一、锁的概念
  • 二、锁的类型
  • • 2.1 互斥锁（也称排它锁）
    • • 2.1.1 Synchronized和Lock
      • 2.1.2 ReentrantLock（可重入锁）
      • 2.1.3 公平锁
      • 2.1.4 非公平锁
      • 2.1.5 中断锁
    • 2.2 共享锁
    • 2.3 读写锁
  • 三、悲观锁和乐观锁
  • • 3.1 悲观锁
    • 3.2 乐观锁
    • 3.3 CAS算法
  • 四、锁竞争

一、锁的概念

在多线程中，有乐观锁、悲观锁等很多锁的概念，在了解锁的概念之前我们需要先知道线程和进程以及纤程的概念。
可以结合JAVA多线程页面一块来看。

锁（Lock）是多线程中实现线程同步和互斥的机制。 它可以用来确保在多个线程访问共享资源时的数据一致性和安全性。

在多线程环境下，当多个线程同时访问共享资源时，可能会出现数据竞争的问题，导致程序的行为不确定或产生错误。（比如脏读）
为了避免这种情况，可以使用锁来保护共享资源，使得在任意时刻只有一个线程可以访问共享资源。

二、锁的类型

2.1 互斥锁（也称排它锁）

在访问共享对象之前，对其进行加锁操作。在访问完成之后进行解锁操作。加锁后，其他试图加锁的线程会被阻塞，直到当前线程解锁。解锁后，原本等待状态的线程变为就绪状态，重新竞争锁。

2.1.1 Synchronized和Lock

Synchronized是jvm内置锁而Lock 属于java类，Synchronized不需要处理异常状态下的锁释放，当资源使用完毕后或连接断开时自动释放锁，而 Lock 需要显示调用释放锁，Lock 接口提供了更多可适配的类和方法，包括非公平锁、读写锁等

2.1.2 ReentrantLock（可重入锁）

可重入锁也称递归锁是一种递归无阻塞的同步机制。当外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然有获取锁的代码。ReentrantLock和Synchronized都是可重入锁，并且都是同步方式加锁。

Synchronized和ReentrantLock的区别

ReentrantLock 是类实现加锁，使用tryLock() 尝试获取锁，避免死锁，更安全；需要考虑异常情况，当是异常的时候需要在finally代码块中释放锁，ReentrantLock自己提供了加锁解锁功能，在特殊情况下加锁解锁需要借助Condition实现，ReentrantLock加锁的颗粒度比Synchronized更细，使用起来也更方便。

但是Synchronized是JDK内部实现通过关键词加锁，存在死锁问题，不需要考虑异常情况，Synchronized需要Object提供的 wait()，notify() 方法在特殊条件下来实现对方法和代码块的加锁解锁。

注意：static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
参数为true 是公平锁，false 是非公平锁

2.1.3 公平锁

公平锁即根据 先进先出 规则，从等待队列中取出第一个等待线程获取锁。
在并发环境下，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果是空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则会将自己加入到等待队列中。

2.1.4 非公平锁

可以通过 nonfairTruAcquire() 实现；与非公平锁相反，非公平锁下，新来的线程在一上来就会尝试直接占有锁，如果这时候刚好在发出请求时所变成可用状态，则这个锁会跳过队列中的等待线程，直接获得锁，否则，将自己加入到队列中。

2.1.5 中断锁

可中断锁即等待锁的过程是可以中断的。在互斥锁中，synchronized 是不可中断所，而 Lock 是可中断锁。
ReentrantLock 中提供了两种方法来中断等待操作
（1）通过tryLock方法中断
可以通过设置超时时间 timeout 以及单位 unit，在等待指定时间后，若还没有获取锁，则中断锁
（2）通过lockInterruptibly 方法
lockInterruptibly 调用后，就会马上主动中断等待，并抛出 InterruptedException 异常

2.2 共享锁

共享锁：允许多个线程共同访问资源

2.3 读写锁

java并发包提供了读写锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁。

三、悲观锁和乐观锁

3.1 悲观锁

互斥锁、自旋锁、读写锁都属于悲观锁，悲观锁认为并发访问共享资源时，冲突概率可能非常高，所以在访问共享资源前，都需要先加锁。

悲观锁适用于写多读少的情况，在多写的情况下冲突经常发生，需要用锁来保证变量修改的有序性

3.2 乐观锁

如果并发访问共享资源时，冲突概率非常低的话，就可以使用乐观锁，它的工作方式是，在访问共享资源时，不用先加锁，修改完共享资源后，再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有其他线程在修改资源，那么操作完成，如果发现有其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作

乐观锁适用于读多写少的情况，即冲突很少发生的时候，省去了锁的开销，增大了吞吐量

乐观锁的实现一般是CAS算法和版本控制

3.3 CAS算法

CAS 全称(Compare And Swap
比较和交换)，是一种无锁算法，可以在不适用锁的情况下实现多线程间变量的同步java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

对CAS的理解，CAS是一种无锁算法，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

四、锁竞争

锁竞争是指多个线程试图同时访问同一个临界区（即需要互斥访问的代码区域），因此它们之间产生了竞争。在任意时刻，只能有一个线程持有锁并进入临界区，其他试图进入临界区的线程必须等待。锁竞争可能导致以下几种情况：吞吐量降低、响应时间增加、上下文切换