java中的各种锁

懂得

1.公平锁和非公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。
公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死,但是整体效率相对低一些;非公平锁的好处是整体效率相对高一些,但是有些线程可能会饿死或者说很早就在等待锁,但要等很久才会获得锁。其中的原因是公平锁是严格按照请求所的顺序来排队获得锁的,而非公平锁时可以抢占的,即如果在某个时刻有线程需要获取锁,而这个时候刚好锁可用,那么这个线程会直接抢占,而这时阻塞在等待队列的线程则不会被唤醒。
公平锁可以使用new ReentrantLock(true)实现。

2.可重入锁

可重入锁,也叫做递归锁,指的是同一线程外层函数获得锁之后 ,内层递归函数仍然有获取该锁的代码,但不受影响。

在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁。可重入锁最大的作用是避免死锁。

3.类锁和对象锁

类锁:在方法上加上static synchronized的锁,或者synchronized(xxx.class)的锁。如下代码中的method1和method2:

对象锁:参考method4, method5,method6.

public class LockStrategy
{
    public Object object1 = new Object();

    public static synchronized void method1(){}
    public void method2(){
        synchronized(LockStrategy.class){}
    }

    public synchronized void method4(){}
    public void method5()
    {
        synchronized(this){}
    }
    public void method6()
    {
        synchronized(object1){}
    }
}

下面做一道习题来加深一下对对象锁和类锁的理解.

有一个类这样定义:

public class SynchronizedTest
{
    public synchronized void method1(){}
    public synchronized void method2(){}
    public static synchronized void method3(){}
    public static synchronized void method4(){}
}

那么,有SynchronizedTest的两个实例a和b,对于一下的几个选项有哪些能被一个以上的线程同时访问呢?

A. a.method1() vs. a.method2()
B. a.method1() vs. b.method1()
C. a.method3() vs. b.method4()
D. a.method3() vs. b.method3()
E. a.method1() vs. a.method3()

答案是什么呢?BE

4.悲观锁和乐观锁

悲观锁:假定会发生并发冲突,屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。

乐观锁:假定不会发生并发冲突,只在提交操作时检测是否违反数据完整性。(使用版本号或者时间戳来配合实现)

5.分段锁

ConcurrentHashMap中采用了分段锁

6.读写锁

读写锁是一个资源能够被多个读线程访问,或者被一个写线程访问但不能同时存在读线程。Java当中的读写锁通过ReentrantReadWriteLock实现。具体使用方法这里不展开。

7.互斥锁

所谓互斥锁就是指一次最多只能有一个线程持有的锁。在JDK中synchronized和JUC的Lock就是互斥锁。

8.无锁

要保证现场安全,并不是一定就要进行同步,两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段,如果一个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就无须任何同步措施去保证正确性,因此会有一些代码天生就是线程安全的。

1.无状态编程。无状态代码有一些共同的特征:不依赖于存储在对上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非无状态的方法等。可以参考Servlet。
2.线程本地存储。可以参考ThreadLocal
3.volatile
4.CAS
5.协程:在单线程里实现多任务的调度,并在单线程里维持多个任务间的切换。

9.闭锁

闭锁是一种同步工具类,可以延迟线程的进度直到其到达终止状态。闭锁的作用相当于一扇门:在闭锁到达结束状态之前,这扇门一直是关闭的,并且没有任何线程能通过,当到达结束状态时,这扇门会打开允许所有的线程通过。当闭锁到达结束状态后,将不会再改变状态,因此这扇门将永远保持打开状态。闭锁可以用来确保某些活动指导其他活动都完成后才继续执行。CountDownLatch就是一种灵活的闭锁实现。

10.死锁

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,他们都将无法推进下去。这是一个严重的问题,因为死锁会让你的程序挂起无法完成任务,死锁的发生必须满足一下4个条件:

1.互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用。
2.请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。
3.不剥夺条件:进程已获得的资源,在未使用完之前,不能强行剥夺。
4.循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
避免死锁最简单的方法就是阻止循环等待条件,将系统中所有的资源设置标志位、排序,规定所有的进程申请资源必须以一定的顺序做操作来避免死锁。

不懂得

1.自旋锁

Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程,都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转换到核心态中,因此状态装换需要耗费很多的处理器时间,对于代码简单的同步块(如被synchronized修饰的getter()和setter()方法),状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

虚拟机的开发团队注意到在许多应用上,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间,为了这段时间取挂起和恢复现场并不值得。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。

自旋等待不能代替阻塞。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,因此,如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就会非常好,反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会拜拜浪费处理器资源。因此,自旋等待的时间必须要有一定的限度,如果自旋超过了限定次数(默认是10次,可以使用-XX:PreBlockSpin来更改)没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了。

自旋锁在JDK1.4.2中引入,使用-XX:+UseSpinning来开启。JDK6中已经变为默认开启,并且引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不在固定了,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。

自旋是在轻量级锁中使用的,在重量级锁中,线程不使用自旋。

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是很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间,比如100次循环。另外,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。

2.锁消除

锁消除是虚拟机JIT在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据是来源于逃逸分析的数据支持,如果判断在一段代码中,堆上的所有数据都不会逃逸出去从而能被其他线程访问到,那就可以把他们当做栈上数据对待,认为他们是线程私有的,同步加锁自然就无需进行。

来看这样一个方法:

public String concatString(String s1, String s2, String s3)
{
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

可以知道StringBuffer 的append方法定义如下:

public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) {
    super.append(sb);
    return this;
}

也就是说在concatString()方法中涉及了同步操作。但是可以观察到sb对象它的作用域被限制在方法的内部,也就是sb对象不会“逃逸”出去,其他线程无法访问。因此,虽然这里有锁,但是可以被安全的消除,在即时编译之后,这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。

3.锁粗化

原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制的尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁禁止,那等待的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下,这些都是正确的。但是,如果一些列的联系操作都是同一个对象反复加上和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那么即使没有线程竞争,频繁地进行互斥同步操作也导致不必要的性能损耗。

举个案例,类似锁消除的concatString()方法。如果StringBuffer sb = new StringBuffer();定义在方法体之外,那么就会有线程竞争,但是每个append()操作都对同一个对象反复加锁解锁,那么虚拟机探测到有这样的情况的话,会把加锁同步的范围扩展到整个操作序列的外部,即扩展到第一个append()操作之前和最后一个append()操作之后,这样的一个锁范围扩展的操作就称之为锁粗化。

4.共享锁和排它锁

共享锁:如果事务T对数据A加上共享锁后,则其他事务只能对A再加共享锁,不能加排它锁。获准共享锁的事务只能读数据,不能修改数据。

排它锁:如果事务T对数据A加上排它锁后,则其他事务不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的事务即能读数据又能修改数据。

5.活锁

LiveLock是一种形式活跃性问题,该问题尽管不会阻塞线程,但也不能继续执行,因为线程将不断重复执行相同的操作,而且总会失败。活锁通常发送在处理事务消息的应用程序中:如果不能成功地处理某个消息,那么消息处理机制将回滚整个事务,并将它重新放到队列的开头:如果不能成功地处理某个消息,那么消息处理机制将回滚整个事务,并将它重新放到队列的开头。如果消息处理器在处理某种特定类型的消息时存在错误并导致它失败,那么每当这个消息从队列中取出并传递到存在错误的处理器时,都会发生事务回滚。由于这条消息又被放回到队列开头,因此处理器将被反复调用,并返回相同的结果。

6.偏向锁、轻量级锁和重量级锁

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