锁从宏观上分类,分为悲观锁与乐观锁。
乐观锁是一种乐观思想,即认为 读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为 别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新), 如果失败则要重复 读-比较-写 的操作。
java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的,CAS 是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入 值是否一样,一样则更新,否则失败。
悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。 java中的悲观锁就是 Synchronized
,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁,获取不到, 才会转换为悲观锁,如RetreenLock
。
java的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入,需要在户态与核心态之间切换,这种切换会消耗大量的系统资源,因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间,专用的寄存器等,用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核,内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等,以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。
如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋),等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
线程自旋是需要消耗 cup 的,说白了就是让 cup 在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用cup自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。
如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁 的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。
自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说,性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换!
如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功,占着 XX 不 XX,同时有大量 线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗, 其它需要cup的线程又不能获取到cpu,造成cpu的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁。
自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放,等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢?如果自旋执行时间太长,会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源,进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要!
JVM 对于自旋周期的选择,jdk1.5 这个限度是一定的写死的,在 1.6 引入了适应性自旋锁,适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了,而是 由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定,基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时 JVM 还针对当前 CPU 的负荷情况做了较多的优化,如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋,如果有超过(CPUs/2) 个线程正在自旋,则后来线程直接阻塞,如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞,如果 CPU 处于节电模式则停止自旋,自旋时间的最坏情况是 CPU 的存储延迟(CPU A存储了一个数据,到CPU B得知这个数据直接的时间差),自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异。
JDK1.6中-XX:+UseSpinning开启;
-XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数;
JDK1.7后,去掉此参数,由jvm控制;
synchronized
它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁,同时属于可重入锁。
-XX:-UseBiasedLocking
来禁用偏向锁。ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法,他是一种可重入锁,除了能完 成 synchronized 所能完成的所有工作外,还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等 避免多线程死锁的方法。
执行此方法时,如果锁处于空闲状态,当前线程将获取到锁,相反,如果锁已经被其他线程持有,将禁用当前线程,直到当前线程获取到锁。
如果锁可用,则获取锁,并立即返回 true,否则返回 false。该方法和 lock()
的区别在于,tryLock()
只是"试图"获取锁,如果锁不可用,不会导致当前线程被禁用,当前线程仍然继续往下执行代码。而 lock()
方法则是一定要获取到锁,如果锁不可用,就一 直等待,在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行。
执行此方法时,当前线程将释放持有的锁.锁只能由持有者释放,如果线程 并不持有锁,却执行该方法,可能导致异常的发生。
条件对象,获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定, 当前线程只有获取了锁,才能调用该组件的 await()
方法,而调用后,当前线程将缩放锁。
查询当前线程保持此锁的次数,也就是执行此线程执行lock方法的次数。
返回正等待获取此锁的线程估计数,比如启动 10 个线程,1 个 线程获得锁,此时返回的是9 。
返回等待与此锁相关的给定条件的线 程估计数。比如 10 个线程,用同一个 condition 对象,并且此时这 10 个线程都执行了 condition对象的 await方法,那么此时执行此方法返回10 。
查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件 (condition),对于指定contidion对象,有多少线程执行了condition.await
方法 。
查询给定线程是否等待获取此锁 。
是否有线程等待此锁。
该锁是否公平锁。
当前线程是否保持锁锁定,线程的执行 lock 方法的前后分 别是false和true。
此锁是否有任意线程占用
如果当前线程未被中断,获取锁。
尝试获得锁,仅在调用时锁未被线程占用,获得锁。
如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持, 则获取该锁。
JVM 按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁,ReentrantLock
在构造函数中提供了 是否公平锁的初始化方式,默认为非公平锁。非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁,除非 程序有特殊需要,否则最常用非公平锁的分配机制。
公平锁指的是锁的分配机制是公平的,通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁, ReentrantLock
在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁。
ReentrantLock
通过方法 lock()
与 unlock()
来进行加锁与解锁操作,与 synchronized
会被 JVM 自动解锁机制不同,ReentrantLock
加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况,使用 ReentrantLock
必须在 finally
控制块中进行解锁操 作。ReentrantLock
相比 synchronized
的优势是可中断、公平锁、多个锁。这种情况下需要使用ReentrantLock
。public class MyService {
private Lock lock = new ReentrantLock();
//Lock lock=new ReentrantLock(true);//公平锁
//Lock lock=new ReentrantLock(false);//非公平锁
private Condition condition=lock.newCondition();//创建Condition
public void testMethod() {
try {
lock.lock();//lock加锁
//1:wait 方法等待:
//System.out.println("开始wait");
condition.await();
//通过创建Condition对象来使线程wait,必须先执行lock.lock方法获得锁
//:2:signal方法唤醒
condition.signal();//condition对象的signal方法可以唤醒wait线程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ (" " + (i + 1)));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
Semaphore是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值,基于此,多个线程竞争获取许可信 号,做完自己的申请后归还,超过阈值后,线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 可以用来 构建一些对象池,资源池之类的,比如数据库连接池。
我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore,将其作为一种类似互斥锁的机制,这也叫二元信号量, 表示两种互斥状态。
代码实现:
// 创建一个计数阈值为5的信号量对象
// 只能5个线程同时访问
Semaphore semp = new Semaphore(5);
try {
// 申请许可
semp.acquire();
try {
// 业务逻辑
} catch (Exception e) {
} finally {
// 释放许可
semp.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
}
Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作,使用方法也与之类似,通过 acquire()
与 release()
方法来获得和释放临界资源。经实测,Semaphone.acquire()
方法默认为可响应中断锁, 与 ReentrantLock.lockInterruptibly()
作用效果一致,也就是说在等待临界资源的过程中可以被 Thread.interrupt()
方法中断。
此外,Semaphore也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能,除了方法名tryAcquire 与 tryLock 不同,其使用方法与ReentrantLock几乎一致。Semaphore也提供了公平与非公平锁的机制,也可在构造函数中进行设定。
Semaphore的锁释放操作也由手动进行,因此与ReentrantLock一样,为避免线程因抛出异常而 无法正常释放锁的情况发生,释放锁的操作也必须在finally代码块中完成。
首先说明,此处 AtomicInteger,一个提供原子操作的 Integer 的类,常见的还有 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等,他们的实现原理相同, 区别在于运算对象类型的不同。令人兴奋地,还可以通过 AtomicReference<V>将一个对象的所 有操作转化成原子操作。
我们知道,在多线程程序中,诸如++i 或 i++等运算不具有原子性,是不安全的线程操作之一。 通常我们会使用 synchronized 将该操作变成一个原子操作,但 JVM 为此类操作特意提供了一些 同步类,使得使用更方便,且使程序运行效率变得更高。通过相关资料显示,通常AtomicInteger 的性能是ReentantLock的好几倍。
本文里面讲的是广义上的可重入锁,而不是单指JAVA下的ReentrantLock。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。
加锁前检查是否有排队等待的线程,优先排队等待的线程,先来先得。
加锁时不考虑排队等待问题,直接尝试获取锁,获取不到自动到队尾等待。
为了提高性能,Java 提供了读写锁,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,在一定程度上提高了程序的执行效率。读写锁分为读锁和写 锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由jvm自己控制的,你只要上好相应的锁即可。
如果你的代码只读数据,可以很多人同时读,但不能同时写,那就上读锁。
如果你的代码修改数据,只能有一个人在写,且不能同时读取,那就上写锁。总之,读的时候上 读锁,写的时候上写锁!
Java 中 读 写 锁 有 个 接 口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock
, 也 有 具 体 的 实 现 ReentrantReadWriteLock
。
java并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。
独占锁模式下,每次只能有一个线程能持有锁,ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。 独占锁是一种悲观保守的加锁策略,它避免了读/读冲突,如果某个只读线程获取锁,则其他读线 程都只能等待,这种情况下就限制了不必要的并发性,因为读操作并不会影响数据的一致性。
共享锁则允许多个线程同时获取锁,并发访问共享资源,如:ReadWriteLock。共享锁则是一种乐观锁,它放宽了加锁策略,允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。
Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁(monitor)来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用 户态转换到核心态,这个成本非常高,状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么 Synchronized 效率低的原因。因此,这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为 “重量级锁”。
JDK中对Synchronized做的种种优化,其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。
JDK1.6 以后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,提高性能,引入了“轻量级锁”和 “偏向锁”。
锁的状态总共有四种:无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级到重量级锁(但是锁的升级是单向的, 也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级)。
“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是,首先需要强调一点的是, 轻量级锁并不是用来代替重量级锁的,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。
在解释轻量级锁的执行过程之前,先明白一点,轻量级锁所适应的场 景是线程交替执行同步块的情况,如果存在同一时间访问同一锁的情况,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得。
偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后,消除这个线程锁重入(CAS)的开销,看起来让这个线程得到了偏护。
引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令,而偏向锁只需要在置换 ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗)。
上面说过,轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。
分段锁也并非一种实际的锁,而是一种思想ConcurrentHashMap是学习分段锁的最好实践 。
只用在有线程安全要求的程序上加锁。
将大对象(这个对象可能会被很多线程访问),拆成小对象,大大增加并行度,降低锁竞争。 降低了锁的竞争,偏向锁,轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是 ConcurrentHashMap。
最常见的锁分离就是读写锁ReadWriteLock,根据功能进行分离成读锁和写锁,这样读读不互斥,读写互斥,写写互斥,即保证了线程安全,又提高了性能,具体也请查看[高并发Java 五] JDK并发包1。读写分离思想可以延伸,只要操作互不影响,锁就可以分离。比如 LinkedBlockingQueue 从头部取出,从尾部放数据。
通常情况下,为了保证多线程间的有效并发,会要求每个线程持有锁的时间尽量短,即在使用完 公共资源后,应该立即释放锁。但是,凡事都有一个度,如果对同一个锁不停的进行请求、同步 和释放,其本身也会消耗系统宝贵的资源,反而不利于性能的优化 。
锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时,如果发现不可能被共享的对象,则可以消除这 些对象的锁操作,多数是因为程序员编码不规范引起。
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