java锁的种类

锁大概有以下名词:
自旋锁,自旋锁的其他种类,阻塞锁,可重入锁,读写锁,互斥锁,悲观锁,乐观锁,公平锁,偏向锁,对象锁,线程锁,锁粗化,锁消除,轻量级锁,重量级锁,信号量,独享锁,共享锁,分段锁

我们所说的锁的分类其实应该按照锁的特性和设计来划分

概述

其实从并发的角度来讲,按照线程安全的三种策略看,主要内容都集中在互斥同步里,我们所讨论的锁也集中在这个部分。这个部分的锁都是悲观锁,第二个部分是非阻塞同步,这个部分也就一种通过CAS进行原子类操作,这个部分可以看成乐观锁,其实也就是不加锁。第三个部分是无同步方案,包括可重入代码和线程本地存储(具体的可以查阅相关博客资料,也可以看这篇)。

我们主要讨论互斥同步。

常见的锁

Synchronized和Lock

其实我们真正用到的锁也就那么两三种,只不过依据设计方案和性质对其进行了大量的划分。

以下一个锁是原生语义上的实现:

  • Synchronized,它就是一个:非公平,悲观,独享,互斥,可重入的重量级锁

以下两个锁都在JUC包下,是API层面上的实现:

  • ReentrantLock,它是一个:默认非公平但可实现公平的,悲观,独享,互斥,可重入,重量级锁。
  • ReentrantReadWriteLocK,它是一个,默认非公平但可实现公平的,悲观,写独享,读共享,读写,可重入,重量级锁。

按照其性质分类

公平锁/非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获得锁。有可能会造成优先级反转或者饥饿现象。对于Java ReentrantLock而言,通过构造函数指定该锁是否是公平锁,默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。对于Synchronized而言,也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁,而是指看待并发同步的角度。悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定是会发生修改的,哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁的并发操作一定会出问题。乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作,是不会发生修改的。在更新数据的时候,会采用尝试更新,不断重新的方式更新数据。乐观的认为,不加锁的并发操作是没有事情的。从上面的描述我们可以看出,悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升。悲观锁在Java中的使用,就是利用各种锁。乐观锁在Java中的使用,是无锁编程,常常采用的是CAS算法,典型的例子就是原子类,通过CAS自旋实现原子操作的更新。

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。共享锁是指该锁可被多个线程所持有。对于Java ReentrantLock而言,其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReentrantReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。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。独享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,当然是独享锁。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法,互斥锁/读写锁就是具体的实现。互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock,读写锁在Java中的具体实现就是ReentrantReadWriteLock

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。说的有点抽象,下面会有一个代码的示例。对于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁,其名字是Reentrant 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。

public sychrnozied void test() {
    xxxxxx;
    test2();
}

public sychronized void test2() {
    yyyyy;
}

在上面代码中,执行test()方法需要获得当前对象作为监视器的对象锁,但方法中又调用了test2的同步方法。

  • 如果锁具有可重入性的话,那么该线程在调用test2时并不需要再次获得当前对象的锁,可以之家进入test2方法进行操作
  • 如果锁不具有可重入性的话,那么该线程在调用test2前会等待当前对象锁的释放,实际上该对象锁已经被当前线程所持有,不可能再次获得,会产生死锁。

按照设计方案来分类

自旋锁/自适应锁

如果物理机器有一个以上的处理器,能让两个或以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”,但不放弃处理器的执行时间,看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待,我们只需让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。优点是:自旋等待本身可以避免线程切换的开销。缺点是:自旋等待不能代替阻塞,且先不说对处理器数量的要求,自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销,但它是要占用处理器时间的

自适应意味着自旋的时间不再固定了,而是由前 一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

  • 如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长时间,比如100个循环。
  • 如果对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,以避免浪费处理器资源

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态。并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,提高性能。

重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候,还没有获取到锁,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,并不是具体的一种锁,对于ConcurrentHashMap而言,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。我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想,ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap(JDK7与JDK8中HashMap的实现)的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候,并不是对整个hashmap进行加锁,而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中,然后对这个分段进行加锁,所以当多线程put的时候,只要不是放在一个分段中,就实现了真正的并行的插入。

但是,在统计size的时候,可就是获取hashmap全局信息的时候,就需要获取所有的分段锁才能统计。分段锁的设计目的是细化锁的粒度,当操作不需要更新整个数组的时候,就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

参考资料

https://blog.csdn.net/sinat_33087001/article/details/77678503

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