淺談Java鎖機(jī)制

更新時(shí)間：2021年09月30日 16:10:13 作者：隨身電源

在多線程環(huán)境下，程序往往會(huì)出現(xiàn)一些線程安全問(wèn)題，為此，Java提供了一些線程的同步機(jī)制來(lái)解決安全問(wèn)題，比如：synchronized鎖和Lock鎖都能解決線程安全問(wèn)題。下面小編就來(lái)詳細(xì)介紹該知識(shí)點(diǎn),需要的朋友可以參考一下

1、悲觀鎖和樂(lè)觀鎖

我們可以將鎖大體分為兩類：

悲觀鎖
樂(lè)觀鎖

顧名思義，悲觀鎖總是假設(shè)最壞的情況，每次獲取數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別的線程會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣其它線程想要修改這個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)被阻塞直到獲取鎖。比如MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的表鎖、行鎖、讀鎖、寫(xiě)鎖等，Java中的synchronized和ReentrantLock等。

而樂(lè)觀鎖總是假設(shè)最好的情況，每次獲取數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別的線程不會(huì)修改，所以并不會(huì)上鎖，但是在修改數(shù)據(jù)的時(shí)候需要判斷一下在此期間有沒(méi)有別的線程修改過(guò)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有修改過(guò)則正常修改，如果修改過(guò)則這次修改就是失敗的。常見(jiàn)的樂(lè)觀鎖有版本號(hào)控制、CAS算法等。

2、悲觀鎖應(yīng)用

案例如下：

public class LockDemo {

    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                    count++;
                }
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
        // 等待所有線程執(zhí)行完畢
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

在該程序中一共開(kāi)啟了50個(gè)線程，并在線程中對(duì)共享變量count進(jìn)行++操作，所以如果不發(fā)生線程安全問(wèn)題，最終的結(jié)果應(yīng)該是50000，但該程序中一定存在線程安全問(wèn)題，運(yùn)行結(jié)果為：

若想解決線程安全問(wèn)題，可以使用synchronized關(guān)鍵字：

public class LockDemo {

    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                // 使用synchronized關(guān)鍵字解決線程安全問(wèn)題
                synchronized (LockDemo.class) {
                    for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                        count++;
                    }
                }
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

將修改count變量的操作使用synchronized關(guān)鍵字包裹起來(lái)，這樣當(dāng)某個(gè)線程在進(jìn)行++操作時(shí)，別的線程是無(wú)法同時(shí)進(jìn)行++的，只能等待前一個(gè)線程執(zhí)行完1000次后才能繼續(xù)執(zhí)行，這樣便能保證最終的結(jié)果為50000。

使用ReentrantLock也能夠解決線程安全問(wèn)題：

public class LockDemo {

    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        Lock lock = new ReentrantLock();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                // 使用ReentrantLock關(guān)鍵字解決線程安全問(wèn)題
                lock.lock();
                try {
                    for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                        count++;
                    }
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

這兩種鎖機(jī)制都是悲觀鎖的具體實(shí)現(xiàn)，不管其它線程是否會(huì)同時(shí)修改，它都直接上鎖，保證了原子操作。

3、樂(lè)觀鎖應(yīng)用

由于線程的調(diào)度是極其耗費(fèi)操作系統(tǒng)資源的，所以，我們應(yīng)該盡量避免線程在不斷阻塞和喚醒中切換，由此產(chǎn)生了樂(lè)觀鎖。

在數(shù)據(jù)庫(kù)表中，我們往往會(huì)設(shè)置一個(gè)version字段，這就是樂(lè)觀鎖的體現(xiàn)，假設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

+----+------+----------+ ------- +
| id | name | password | version |
+----+------+----------+ ------- +
|  1 | zs   | 123456   |    1    |
+----+------+----------+ ------- +

它是如何避免線程安全問(wèn)題的呢？

假設(shè)此時(shí)有兩個(gè)線程A、B想要修改這條數(shù)據(jù)，它們會(huì)執(zhí)行如下的sql語(yǔ)句：

select version from e_user where name = 'zs';

update e_user set password = 'admin',version = version + 1 where name = 'zs' and version = 1;

首先兩個(gè)線程均查詢出zs用戶的版本號(hào)為1，然后線程A先執(zhí)行了更新操作，此時(shí)將用戶的密碼修改為了admin，并將版本號(hào)加1，接著線程B執(zhí)行更新操作，此時(shí)版本號(hào)已經(jīng)為2了，所以更新肯定是失敗的，由此，線程B就失敗了，它只能重新去獲取版本號(hào)再進(jìn)行更新，這就是樂(lè)觀鎖，我們并沒(méi)有對(duì)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行任何的加鎖操作，但它仍然能夠保證線程安全。

4、CAS

仍然以最開(kāi)始做加法的程序?yàn)槔?，在Java中，我們還可以采用一種特殊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)它：

public class LockDemo {

    static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                    // 使用AtomicInteger解決線程安全問(wèn)題
                    count.incrementAndGet();
                }
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

為何使用AtomicInteger類就能夠解決線程安全問(wèn)題呢？

我們來(lái)查看一下源碼：

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

當(dāng)count調(diào)用incrementAndGet()方法時(shí)，實(shí)際上調(diào)用的是UnSafe類的getAndAddInt()方法：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

getAndAddInt()方法中有一個(gè)循環(huán)，關(guān)鍵的代碼就在這里，我們假設(shè)線程A此時(shí)進(jìn)入了該方法，此時(shí)var1即為AtomicInteger對(duì)象（初始值為0），var2的值為12（這是一個(gè)內(nèi)存偏移量，我們可以不用關(guān)心），var4的值為1（準(zhǔn)備對(duì)count進(jìn)行加1操作）。

首先通過(guò)AtomicInteger對(duì)象和內(nèi)存偏移量即可得到主存中的數(shù)據(jù)值：

var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);

獲取到var5的值為0，然后程序會(huì)進(jìn)行判斷：

!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)

compareAndSwapInt()是一個(gè)本地方法，它的作用是比較并交換，即：判斷var1的值與主存中取出的var5的值是否相同，此時(shí)肯定是相同的，所以會(huì)將var5+var4的值賦值給var1，并返回true，對(duì)true取反為false，所以循環(huán)就結(jié)束了，最終方法返回1。

這是一切正常的運(yùn)行流程，然而當(dāng)發(fā)生并發(fā)時(shí)，處理情況就不太一樣了，假設(shè)此時(shí)線程A執(zhí)行到了getAndAddInt()方法：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

線程A此時(shí)獲取到var1的值為0（var1即為共享變量AtomicInteger），當(dāng)線程A正準(zhǔn)備執(zhí)行下去時(shí)，線程B搶先執(zhí)行了，線程B此時(shí)獲取到var1的值為0，var5的值為0，比較成功，此時(shí)var1的值就變?yōu)?；這時(shí)候輪到線程A執(zhí)行了，它獲取var5的值為1，此時(shí)var1的值不等于var5的值，此次加1操作就會(huì)失敗，并重新進(jìn)入循環(huán)，此時(shí)var1的值已經(jīng)發(fā)生了變化，此時(shí)重新獲取var5的值也為1，比較成功，所以將var1的值加1變?yōu)?，若是在獲取var5之前別的線程又修改了主存中var1的值，則本次操作又會(huì)失敗，程序重新進(jìn)入循環(huán)。

這就是利用自旋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)樂(lè)觀鎖，因?yàn)樗鼪](méi)有加鎖，所以省下了線程調(diào)度的資源，但也要避免程序一直自旋的情況發(fā)生。

5、手寫(xiě)一個(gè)自旋鎖

public class LockDemo {

    private AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void lock() {
        // 獲取當(dāng)前線程對(duì)象
        Thread thread = Thread.currentThread();
        // 自旋等待
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {
        }
    }

    public void unlock() {
        // 獲取當(dāng)前線程對(duì)象
        Thread thread = Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
    }

    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LockDemo lockDemo = new LockDemo();
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                lockDemo.lock();
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    count++;
                }
                lockDemo.unlock();
            });
            thread.start();
            threadList.add(thread);
        }
        // 等待線程執(zhí)行完畢
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

使用CAS的原理可以輕松地實(shí)現(xiàn)一個(gè)自旋鎖，首先，AtomicReference中的初始值一定為null，所以第一個(gè)線程在調(diào)用lock()方法后會(huì)成功將當(dāng)前線程的對(duì)象放入AtomicReference，此時(shí)若是別的線程調(diào)用lock()方法，會(huì)因?yàn)樵摼€程對(duì)象與AtomicReference中的對(duì)象不同而陷入循環(huán)的等待中，直到第一個(gè)線程執(zhí)行完++操作，調(diào)用了unlock()方法，該線程才會(huì)將AtomicReference值置為null，此時(shí)別的線程就可以跳出循環(huán)了。

通過(guò)CAS機(jī)制，我們能夠在不添加鎖的情況下模擬出加鎖的效果，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：