Java中锁的分类与使用方法

Lock和synchronized

• 锁是一种工具，用于控制对共享资源的访问
• Lock和synchronized，这两个是最创建的锁，他们都可以达到线程安全的目的，但是使用和功能上有较大不同
• Lock不是完全替代synchronized的，而是当使用synchronized不合适或不足以满足要求的时候，提供高级功能
• Lock 最常见的是ReentrantLock实现

为啥需要Lock

1. syn效率低：锁的释放情况少，试图获得锁时不能设定超时，不能中断一个正在试图获得锁的线程
2. 不够灵活，加锁和释放的时机单一，每个锁仅有一个单一的条件(某个对象),可能是不够的
3. 无法知道是否成功获取到锁

主要方法

Lock();

最普通的获取锁，最佳实践是finally中释放锁，保证发生异常的时候锁一定被释放

    /**
     * 描述：Lock不会像syn一样，异常的时候自动释放锁
     *      所以最佳实践是finally中释放锁，保证发生异常的时候锁一定被释放
     */
    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        lock.lock();
        try {
            //获取本锁保护的资源
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行任务");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

tryLock(long time,TimeUnit unit)；超时就放弃

用来获取锁，如果当前锁没有被其它线程占用，则获取成功，则返回true，否则返回false，代表获取锁失败

/**
     * 描述：用TryLock避免死锁
     */
    static class TryLockDeadlock implements Runnable {

        int flag = 1;

        static Lock lock1 = new ReentrantLock();
        static Lock lock2 = new ReentrantLock();

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                if (flag == 1) {
                    try {
                        if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("线程1获取到了锁1");
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                                if (lock2.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                                    try {
                                        System.out.println("线程1获取到了锁2");
                                        System.out.println("线程1成功获取到了2把锁");
                                        break;
                                    }finally {
                                        lock2.unlock();
                                    }
                                }else{
                                    System.out.println("线程1获取锁2失败，已重试");
                                }
                            } finally {
                                lock1.unlock();
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            }
                        } else {
                            System.out.println("线程1获取锁1失败，已重试");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                if (flag == 0) {
                    try {
                        if (lock2.tryLock(3000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                            try {
                                System.out.println("线程2获取到了锁2");
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                                if (lock1.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                                    try {
                                        System.out.println("线程2获取到了锁1");
                                        System.out.println("线程2成功获取到了2把锁");
                                        break;
                                    }finally {
                                        lock1.unlock();
                                    }
                                }else{
                                    System.out.println("线程2获取锁1失败，已重试");
                                }
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            }
                        } else {
                            System.out.println("线程2获取锁2失败，已经重试");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            TryLockDeadlock r1 = new TryLockDeadlock();
            TryLockDeadlock r2 = new TryLockDeadlock();
            r1.flag = 1;
            r2.flag = 0;
            new Thread(r1).start();
            new Thread(r2).start();
        }
    }

执行结果：
线程1获取到了锁1
线程2获取到了锁2
线程1获取锁2失败，已重试
线程2获取到了锁1
线程2成功获取到了2把锁
线程1获取到了锁1
线程1获取到了锁2
线程1成功获取到了2把锁

lockInterruptibly(); 中断

相当于tryLock(long time,TimeUnit unit) 把超时时间设置为无限，在等待锁的过程中，线程可以被中断

/**
     * 描述：获取锁的过程中，中断了
     */
    static class LockInterruptibly implements Runnable {

        private Lock lock = new ReentrantLock();

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");
            try {
                lock.lockInterruptibly();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁");
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠中被中断了");
                } finally {
                    lock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等锁期间被中断了");
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            LockInterruptibly lockInterruptibly = new LockInterruptibly();
            Thread thread0 = new Thread(lockInterruptibly);
            Thread thread1 = new Thread(lockInterruptibly);
            thread0.start();
            thread1.start();
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            thread0.interrupt();
        }
    }

执行结果：
Thread-0尝试获取锁
Thread-1尝试获取锁
Thread-0获取到了锁
Thread-0睡眠中被中断了
Thread-0释放了锁
Thread-1获取到了锁
Thread-1释放了锁

Java锁分类：

乐观锁和悲观锁：

乐观锁：

比较乐观，认为自己在处理操作的时候，不会有其它线程来干扰，所以并不会锁住操作对象

• 在更新的时候，去对比我修改期间的数据有没有被改变过，如没有，就正常的修改数据
• 如果数据和我一开始拿到的不一样了，说明其他人在这段时间内改过，会选择放弃，报错，重试等策略
• 乐观锁的实现一般都是利用CAS算法来实现的

劣势：

可能造成ABA问题，就是不知道是不是修改过

使用场景：

适合并发写入少的情况，大部分是读取的场景，不加锁的能让读取的性能大幅提高

悲观锁：

比较悲观，认为如果我不锁住这个资源，别人就会来争抢，就会造成数据结果错误，所以它会锁住操作对象，Java中悲观锁的实现就是syn和Lock相关类

劣势：

• 阻塞和唤醒带来的性能劣势
• 如果持有锁的线程被永久阻塞，比如遇到了无限循环，死锁等活跃性问题，那么等待该线程释放锁的那几个线程，永远也得不到执行
• 优先级反转，优先级低的线程拿到锁不释放或释放的比较慢，就会造成这个问题

使用场景：

适合并发写入多的情况，适用于临界区持锁时间比较长的情况：

1. 临界区有IO操作
2. 临界区代码复杂或者循环量大
3. 临界区竞争非常激烈

可重入锁：

可重入就是说某个线程已经获得某个锁，可以再次获取锁而不会出现死锁

ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁

// 递归调用演示可重入锁
    static class RecursionDemo{

        public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        private static void accessResource(){
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("已经对资源处理了");
                if (lock.getHoldCount() < 5){
                    System.out.println("已经处理了"+lock.getHoldCount()+"次");
                    accessResource();
                }
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            new RecursionDemo().accessResource();
        }
    }

执行结果：
已经对资源处理了
已经处理了1次
已经对资源处理了
已经处理了2次
已经对资源处理了
已经处理了3次
已经对资源处理了
已经处理了4次
已经对资源处理了

ReentrantLock的其它方法

• isHeldByCurrentThread 可以看出锁是否被当前线程持有
• getQueueLength()可以返回当前正在等待这把锁的队列有多长，一般这两个方法是开发和调试时候使用，上线后用到的不多

公平锁和非公平锁

• 公平指的是按照线程请求的顺序，来分配锁；
• 非公平指的是，不完全按照请求的顺序，在一定情况下，可以插队
• 非公平锁可以避免唤醒带来的空档期

/**
 * 描述：演示公平锁和非公平锁
 */
class FairLock{

    public static void main(String[] args) {
        PrintQueue printQueue = new PrintQueue();
        Thread[] thread = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            thread[i] = new Thread(new Job(printQueue));
        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            thread[i].start();
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

class Job implements Runnable{

    PrintQueue printQueue;

    public Job(PrintQueue printQueue) {
        this.printQueue = printQueue;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始打印");
        printQueue.printJob(new Object());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印完成");
    }
}

class PrintQueue{
    // true 公平，false是非公平
    private  Lock queueLock = new ReentrantLock(true);
    public void printJob(Object document){
        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10)+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }

        queueLock.lock();
        try {
            int duration = new Random().nextInt(10)+1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印，需要"+duration+"秒");
            Thread.sleep(duration * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }

    }
}

执行结果：
Thread-0开始打印
Thread-0正在打印，需要10秒
Thread-1开始打印
Thread-2开始打印
Thread-3开始打印
Thread-4开始打印
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-2正在打印，需要2秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-4正在打印，需要4秒
Thread-0正在打印，需要2秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要7秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要8秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要3秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成

true改为false演示非公平锁：
Lock queueLock = new ReentrantLock(false);
执行结果：
Thread-0正在打印，需要7秒
Thread-1开始打印
Thread-2开始打印
Thread-3开始打印
Thread-4开始打印
Thread-0正在打印，需要9秒
Thread-0打印完成
Thread-1正在打印，需要3秒
Thread-1正在打印，需要2秒
Thread-1打印完成
Thread-2正在打印，需要4秒
Thread-2正在打印，需要7秒
Thread-2打印完成
Thread-3正在打印，需要10秒
Thread-3正在打印，需要2秒
Thread-3打印完成
Thread-4正在打印，需要7秒
Thread-4正在打印，需要8秒
Thread-4打印完成

共享锁和排它锁：

• 排它锁，又称为独占锁，独享锁
• 共享锁，又称为读锁，获得共享锁之后，可以查看但无法修改和删除数据，其他线程此时也可以获取到共享锁，也可以查看但无法修改和删除数据
• 共享锁和排它锁的典型是读写锁 ReentrantReadWriteLock,其中读锁是共享锁，写锁是独享锁

读写锁的作用：

• 在没有读写锁之前，我们假设使用ReentrantLock，那么虽然我们保证了线程安全，但是也浪费了一定的资源：多个读操作同时进行，并没有线程安全问题
• 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，提高了程序的执行效率

读写锁的规则：

1. 多个线程值申请读锁，都可以申请到
2. 要么一个或多个一起读，要么一个写，两者不会同时申请到，只能存在一个写锁

/**
 * 描述：演示可以多个一起读，只能一个写
 */
class CinemaReadWrite{
    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read(){
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了读锁，正在读取");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write(){
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了写锁，正在写入");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()-> read(),"Thrad1").start();
        new Thread(()-> read(),"Thrad2").start();
        new Thread(()-> write(),"Thrad3").start();
        new Thread(()-> write(),"Thrad4").start();
    }
}

执行结果：
Thrad1得到了读锁，正在读取
Thrad2得到了读锁，正在读取
Thrad2释放了读锁
Thrad1释放了读锁
Thrad3得到了写锁，正在写入
Thrad3释放了写锁
Thrad4得到了写锁，正在写入
Thrad4释放了写锁

读锁和写锁的交互方式：

读锁插队策略：

• 公平锁：不允许插队
• 非公平锁：写锁可以随时插队，读锁仅在等待队列头节点不是想获取写锁线程的时候可以插队

自旋锁和阻塞锁

• 让当前线程进行自旋，如果自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
• 阻塞锁和自旋锁相反，阻塞锁如果遇到没拿到锁的情况，会直接把线程阻塞，知道被唤醒

自旋缺点：

• 如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源
• 在自旋的过程中，一直消耗cpu，所以虽然自旋锁的起始开销低于悲观锁，但是随着自旋的时间增长，开销也是线性增长的

原理：

• 在Java1.5版本及以上的并发框架java.util.concurrent 的atmoic包下的类基本都是自旋锁的实现
• AtomicInteger的实现：自旋锁的实现原理是CAS,AtomicInteger中调用unsafe 进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改过程中遇到其他线程竞争导致没修改成功，就在while里死循环直至修改成功

/**
 * 描述：自旋锁演示
 */
class SpinLock{
    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();

    public void lock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        while (!sign.compareAndSet(null,currentThread)){
            System.out.println("自旋获取失败，再次尝试");
        }
    }

    public void unLock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(currentThread,null);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable(){
            @Override
            public void run(){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"开始尝试自旋锁");
                spinLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到了自旋锁");
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    spinLock.unLock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"释放了自旋锁");
                }
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

执行结果：
Thread-0开始尝试自旋锁
Thread-0获取到了自旋锁
Thread-1开始尝试自旋锁
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
自旋获取失败，再次尝试
Thread-0释放了自旋锁
Thread-1获取到了自旋锁
Thread-1释放了自旋锁

使用场景：

• 自旋锁一般用于多核服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞锁的效率要高
• 另外，自旋锁适用于临界区比较短小的情况，否则如果临界区很大(线程一旦拿到锁，很久之后才会释放)，那也是不合适的

总结

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