【java学习】java锁

1，概念

1）Java的线程是映射

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。

2，自旋锁

1）概念

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区。

2）场景

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。
当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段少，适合使用自旋锁。

自旋等待避免了线程切换的开销，但要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，使用自旋锁。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。

自旋是在轻量级锁中使用的，在重量级锁中，线程不使用自旋。

3）实现

public class SpinLock {  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();  public void lock(){    Thread current = Thread.currentThread();    while(!sign .compareAndSet(null, current)){ //使用CAS原子操作，设置sign为当前线程，并且预测原来的值为空      }  }  public void unlock (){    Thread current = Thread.currentThread();    sign .compareAndSet(current, null);//使用CAS原子操作，设置sign为null，并且预测值为当前线程。  }}

当有第二个线程调用lock操作时，由于sign值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将sign设置为null，第二个线程才能进入临界区。

4）常见自旋锁

①TicketLock

Ticket锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核cpu上。

②CLHlock

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③MCSlock

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3，乐观锁和悲观锁

1）概念

锁有两种：乐观锁与悲观锁。

①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）。
在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据的冲突与否进行检测，如果发现冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。。

乐观锁用到的机制就是CAS。

②悲观锁

有强烈的独占和排他特性。
不相信数据是安全的，故在数据处理过程中必须全部上锁，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。

2）CAS（Compare And Set或Compare And Swap）

①概念

CAS是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。

CAS操作包含三个操作数——内存位置（V），预期原值（A），新值(B)。
如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。
CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

②应用

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);  

当前保持 expectedValue，则以原子方式将变量设置为 updateValue，并在成功时报告 true。

3）举例

独占锁是一种悲观锁。

4）实现

悲观锁的实现，往往依靠数据库提供的锁机制（也只有数据库层提供的锁机制才能真正保证数据访问的排他性，否则，即使在本系统中实现了加锁机制，也无法保证外部系统不会修改数据）。

5，公平锁和非公平锁

1）概念

①公平锁

有优先级的锁。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。
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。

②非公平锁

加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁（可抢占，阻塞的线程不会被唤醒），获取不到自动到队尾等待。

2）优缺点

①公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率低；

②非公平锁的好处是整体效率高，但是有些线程可能会饿死。

3）实现

new ReentrantLock(true)实现公平锁，new ReentrantLock(false)实现非公平锁。

7，独占锁

synchronized 是一种独占锁，synchronized 会导致其它所有未持有锁的线程阻塞，而等待持有锁的线程释放锁。

8，阻塞锁

1）概念

阻塞锁，让线程进入阻塞状态进行等待，当获得相应的信号（唤醒，时间） 时，才可以进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。

阻塞锁 被阻塞的线程，不会争夺锁。

2）场景（与自旋锁对比）

阻塞锁的优势在于，阻塞的线程不会占用cpu时间， 不会导致 CPU占用率过高，但进入时间以及恢复时间都要比自旋锁略慢。

在竞争激烈的情况下 阻塞锁的性能要明显高于 自旋锁。
理想的情况则是： 在线程竞争不激烈的情况下，使用自旋锁；竞争激烈的情况下使用，阻塞锁。

3）synchronized

4）ReentrantLock

5）Object.wait()\notify()

6）LockSupport.park()/unpart()(j.u.c经常使用)

9，可重入锁（递归锁）

1）概念

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。（可多次进入改锁的域）

ReentrantLock 和synchronized都是可重入锁。
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10，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。

1）readwritelock

当写操作时，其他线程无法读取或写入数据，而当读操作时，其它线程无法写入数据，但却可以读取数据 。
适用于读取远远大于写入的操作。

2）CopyOnWriteArrayList

①概念

这个类的整个add操作都是在锁的保护下进行的。

CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

②场景

适合使用在读操作远远大于写操作的场景里，比如缓存。

慎用！
因为谁也没法保证CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据，万一数据稍微有点多，每次add/set都要重新复制数组，这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中，这种操作分分钟引起故障。

③优缺点

A、由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致young gc或者full gc
B、不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个set操作后，读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求。

11，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。

12，偏向锁

1）概念

jvm控制，可以设置jvm启动参数。
锁会偏向于当前已经占有锁的线程。
无竞争不锁，有竞争挂起，转为轻量锁。

2）场景

竞争激烈的场合，偏向锁会增加系统负担。
没有竞争的场合，所以可以通过偏向来提高性能。

13，类锁和对象锁

1）概念

①类型

在方法上加上static synchronized的锁，或者synchronized(xxx.class)的锁。

②对象锁

锁住对象。

public class LockStrategy{    public Object object1 = new Object();    public static synchronized void method1(){}//类锁    public void method2(){        synchronized(LockStrategy.class){}//类锁    }    public synchronized void method4(){}//对象锁    public void method5()    {        synchronized(this){}//对象锁    }    public void method6()    {        synchronized(object1){}//对象锁    }}

14，线程锁

15，锁粗化

多锁变成一个，为了避免反复加锁解锁，避免频繁的互斥同步操作造成性能损耗，进行了锁范围的扩展。

16，轻量级锁和重量级锁

CAS 实现。
synchronized的偏向锁、轻量级锁以及重量级锁是通过Java对象头实现的。

17，锁消除

1）概念

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。

2）举例

偏向锁就是锁消除的一种。

18，锁膨胀

jvm实现，锁粗化。

19，信号量

使用阻塞锁 实现的一种策略。

20，共享锁（S锁）和排它锁（X锁）

操作系统中对锁的一种定义。java锁不存在X锁和排他锁

1）概念

①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。

②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。