程序猿必须要掌握的多线程安全问题之锁策略详解

一、常见的锁策略

1.1 乐观锁

乐观锁：乐观锁假设认为数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正 式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如 何去做。乐观锁的性能比较高。
悲观锁：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会 上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。
悲观锁的问题：总是需要竞争锁，进而导致发生线程切换，挂起其他线程；所以性能不高。 乐观锁的问题：并不总是能处理所有问题，所以会引入一定的系统复杂度。

乐观锁的使用场景：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class happylock {
    private  static  AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private  static  final  int MAXSIZE = 100000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for(int i = 0;i<MAXSIZE;i++){
                    count.getAndIncrement();
                }
            }
        });
        t1.start();
        t1.join();
        Thread t2= new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for(int j = 0;j<MAXSIZE;j++){
                    count.getAndDecrement();
                }
            }
        });
        t2.start();
        t2.join();
        System.out.println("结果"+count);
    }
//结果是0，如果不加AtomicInteger，那么线程执行完以后不会是0，存在线程不安全！

}

1.2 悲观锁

悲观锁：他认为通常情况下会出现并发冲突，所以它在一开始就加锁；
synchronized 就是悲观锁

1.3 读写锁

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需  要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，
就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。

读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。
把锁分成两个锁，一个是读锁，一个是写锁，其中读锁可以多个线程拥有，而写锁是一个线程拥有。读锁是共享锁，而写锁是非公享锁。
读写锁的应用方法：

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Readerlock {
    //读写锁的具体实现
    public static void main(String[] args) {
        //创建读写锁
        ReentrantReadWriteLock  reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
        //分离读锁
        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock=  ReadWriteLock.ReadLock();
        //分离写锁
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock readLock=  ReadWriteLock.WriteLock();
    }

}

1.4 公平锁与非公平锁

公平锁：锁的获取顺序必须合线程方法的先后顺序是保存一致的，就叫公平锁 优点：执行时顺序的，所以结果是可以预期的
非公平锁：锁的获取方式循序和线程获取锁的顺序无关。优点：性能比较高

1.5 自旋锁（Spin Lock）

按之间的方式处理下，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但经过测算，实际的生活中，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。基于这个 事实，自旋锁诞生了。
你可以简单的认为自旋锁就是下面的代码

只要没抢到锁，就死等。

自旋锁的缺点：
缺点其实非常明显，就是如果之前的假设（锁很快会被释放）没有满足，则线程其实是光在消耗 CPU 资源，长期在做无用功的。

1.6 可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。比如一个递归函数 里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因 可重入锁也叫做递归锁）。
Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括
synchronized关键字锁都是可重入的。

1.7 相关题目

面试题:

1.你是怎么理解乐观锁和悲观锁的，具体怎么实现呢？

乐观锁——> CAS ——> Atomic.（CAS是由v(内存值) A（预期值）B（新值））组成，然后执行的时候是使用V=A对比，如果结果为true，这表明没有并发冲突，则可以直接进行修改，否则返回错误信息。*

2.有了解什么读写锁么？

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需 要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。
把锁分成两个锁，一个是读锁，一个是写锁，其中读锁可以多个线程拥有，而写锁是一个线程拥有

3.什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略呢，缺点是什么？

按之间的方式处理下，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但经过测算，实际的生活中，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。基于这个 事实，自旋锁诞生了。
你可以简单的认为自旋锁就是下面的代码
只要没抢到锁，就死等。
自旋锁的缺点：
缺点其实非常明显，就是如果之前的假设（锁很快会被释放）没有满足，则线程其实是光在消耗 CPU 资源，长期在做无用功的。

4.synchronized 是可重入锁么？

synchronized 是可重入锁，

代码如下：

public class Chonglock {
    private  static   Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        //第一次进入锁
        synchronized (lock){
            System.out.println("第一次进入锁");
            synchronized (lock){
                System.out.println("第二次进入锁");
            }
        }
    }
}

二、CAS问题

2.1 什么是CAS问题

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。 1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较） 2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换） 3. 返回操作是否成功。
当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。可见 CAS 其实是一个乐观锁。

2.2 CAS 是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：
java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
unsafe 的 CAS 依 赖 了 的 是 jvm 针 对 不 同 的 操 作 系 统 实 现 的 Atomic::cmpxchg（一个原子性的指令）

/Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。
简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。

2.3 CAS 有哪些应用

2.3.1 实现自旋锁

public class SpinLock {
private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();

// 不放弃 CPU，一直在这里旋转判断
while(!sign .compareAndSet(null, current)){
}
}

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

用于实现原子类

示例代码：

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

public class Unsafe {
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;
}
}

三、ABA问题

3.1 什么是ABA问题

ABA 的问题，就是一个值从A变成了B又变成了A，而这个期间我们不清楚这个过程。

3.2 实现ABA问题场景

我来举一个例子，如果你向别人转钱，你需要转100元，但是你点击了两次转钱，第一次会成功，但是第二次肯定会失败，但是，在你点击第二次转钱的同一时刻，你的公司给你转了100元工资，那么你就会莫名其妙的把100又转了出去，你丢失了100，别人也没有获得100.
代码演示：

1.正常转钱流程

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Aba {
    //ABA问题的演示

    private  static AtomicReference money = new AtomicReference(100);//转账

    public static void main(String[] args) {
        //转账线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               boolean result =  money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("点击第一次转出100"+result);
            }
        });
        t1.start();
        //转账线程2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               boolean result =  money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("点击第二次转出100"+result);
                if(!result){
                    System.out.println("余额不足，无法转账！");
                }
            }
        });
        t2.start();

    }
}

2.错误操作后：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class ABas {

    private  static AtomicReference money = new AtomicReference(100);//转账

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //转账出线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("第一次"+result);
            }
        });
        t1.start();
        t1.join();
        //转入100
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(0,100);
                System.out.println("转账"+result);
            }
        });
        t3.start();
        //转账线程2
        t3.join();
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("第二次"+result);
            }
        });
        t2.start();

    }
}

解决ABA方法

解决方法：加入版本信息，例如携带 AtomicStampedReference 之类的时间戳作为版本信息，保证不会
出现老的值。

代码实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class Abaack {

    //private  static AtomicReference money = new AtomicReference(100);//转账
private  static AtomicStampedReference money = new AtomicStampedReference(100,1);

//
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //转账出线程1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(100,0,1,2);
                System.out.println("第一次转账100："+result);
            }
        });
        t1.start();
        t1.join();
        //转入100
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(0,100,2,3);
                System.out.println("其他人给你转账了100："+result);
            }
        });
        t3.start();
        //转账线程2
        t3.join();
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                boolean result =  money.compareAndSet(100,0,1,2);
                System.out.println("第二次点击转账100："+result);
            }
        });
        t2.start();

//Integer的高速缓存是-128--127（AtomicStampedReference）
        //如果大于127，那么就开始new对象了
        /*
        * 解决方法，调整边界值*/
    }

}

四、总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了锁策略，解决线程安全。

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