（十）java锁机制深度化

java锁机制深度化

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一.悲观锁

悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题，在每次查询时加上排他锁。

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block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

Select * from xxx for update;
锁定表的所有行，只能读不能写

场景
当多个请求同时操作数据库时，首先将订单状态改为已支付，在金额加上200，在同时并发场景查询条件下，会造成重复通知。

二.乐观锁

乐观锁会乐观的认为每次查询都不会造成更新丢失,利用版本字段控制。

三.重入锁

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

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；
代码示例如下：
如果不加重入锁：

public class LockTest implements Runnable{//不加任何锁    public  void get(){        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get();");        set();    }    public  void set(){        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " set();");    }    @Override    public void run() {        get();    }    public static void main(String[] args) {        LockTest lt=new LockTest();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();    }}

运行结果：

不加任何锁，可以看出他的顺序是乱的；
走完线程1的get方法后，马上进入的不是线程1的set方法；而是线程0的get方法；顺序是错乱的！

加上重入锁之后，代码示例如下：

public class LockTest implements Runnable{    static ReentrantLock lock=new ReentrantLock();    //加入synchronized重入锁    public synchronized void get(){        //加入lock重入锁       // lock.lock();        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get();");        set();       // lock.unlock();    }    public synchronized void set(){        //lock.lock();        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " set();");       // lock.unlock();    }    @Override    public void run() {        get();    }    public static void main(String[] args) {        LockTest lt=new LockTest();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();        new Thread(lt).start();    }}

运行结果：

加锁后，可以看出他非常有规律的执行了！
因为加锁后，在线程1的get和set方法执行的时候，其他线程要等待，直到锁释放后，后面的线程才可以继续执行！
这样就不会出现抢锁的情况了！

四.读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。
假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写！
（译者注：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。
这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

代码示例如下：

public class WriteReadLock {    static HashMap<Object,Object> map= new HashMap<Object,Object>();    static ReentrantReadWriteLock rrw=new ReentrantReadWriteLock();    //获取读的锁    static Lock read=rrw.readLock();    //获取写的锁    static Lock write=rrw.writeLock();    // 设置key对应的value，并返回旧有的value    static public Object put(String key,String value){        try {            write.lock();            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");            Thread.sleep(100);            Object obj=map.put(key,value);            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");            return obj;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }finally {            write.unlock();        }       return value;    }    // 获取一个key对应的value    static public Object get(String key){        try {            read.lock();            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");            Object obj=map.get(key);            Thread.sleep(100);            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");            return obj;        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }finally {            read.unlock();        }        return key;    }    public static void main(String[] args) {        //写的线程        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for (int i = 0; i < 5; i++) {                    WriteReadLock.put(i+"",i+"");                }            }        }).start();        //读的线程        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for (int i = 0; i < 5; i++) {                   WriteReadLock.get(i+"");                }            }        }).start();    }}

运行结果：
没有调用读写锁的运行结果：

可以看出，线程0–写的操作还没做完，读的线程开始抢锁了，而导致数据错乱问题！

在调用锁之后的运行结果：

完美

五.CAS无锁机制

（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
（2）无锁的好处：
第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
第二，它天生就是死锁免疫的。
就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。
（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

案例分析：

    /**      * Atomically increments by one the current value.      *      * @return the updated value      */      public final int incrementAndGet() {          for (;;) {              //获取当前值              int current = get();              //设置期望值              int next = current + 1;              //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作              if (compareAndSet(current, next))                  //成功后才会返回期望值，否则无线循环                  return next;          }      }  

六.自旋锁

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。如下:

    private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();    public void lock() {        Thread current = Thread.currentThread();        while (!sign.compareAndSet(null, current)) {          }    }    public void unlock() {        Thread current = Thread.currentThread();        sign.compareAndSet(current, null);    }public class Test implements Runnable {    static int sum;    private SpinLock lock;    public Test(SpinLock lock) {        this.lock = lock;    }    /**     * @param args     * @throws InterruptedException     */    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        SpinLock lock = new SpinLock();        for (int i = 0; i < 100; i++) {            Test test = new Test(lock);            Thread t = new Thread(test);            t.start();        }        Thread.currentThread().sleep(1000);        System.out.println(sum);    }    @Override    public void run() {        this.lock.lock();        this.lock.lock();        sum++;        this.lock.unlock();        this.lock.unlock();    }}

当一个线程 调用这个不可重入的自旋锁去加锁的时候没问题，当再次调用lock()的时候，因为自旋锁的持有引用已经不为空了，该线程对象会误认为是别人的线程持有了自旋锁
使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为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owner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owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。
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。但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。适合使用自旋锁。