java锁的种类以及辨析

来源：互联网发布：suse linux防火墙编辑：程序博客网时间：2024/05/18 12:43

java锁的种类以及辨析（一）：自旋锁

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，但是锁的具体性质以及类型却很少被提及。本系列文章将分析JAVA下常见的锁名称以及特性，为大家答疑解惑。

1、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

public class SpinLock {    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();    public void lock() {        Thread current = Thread.currentThread();        while (!sign.compareAndSet(null, current)) {            //do something        }    }    public void unlock() {        Thread current = Thread.currentThread();        sign.compareAndSet(current, null);    }}

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。

注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。

Java锁的种类以及辨析（二）：自旋锁的其他种类

2.自旋锁的其他种类

上篇我们讲到了自旋锁，在自旋锁中另有三种常见的锁形式:TicketLock ，CLHlock 和MCSlock

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

public class TicketLock {    private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();    private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();    private final ThreadLocal<Integer> LOCAL = new ThreadLocal<Integer>();    public void lock() {        int myticket = ticketNum.getAndIncrement();        LOCAL.set(myticket);        while (myticket != serviceNum.get()) {            //do something        }    }    public void unlock() {        int myticket = LOCAL.get();        serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);    }}

每次都要查询一个serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他cpu修改）。

CLHLock 和MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序，

public static class CLHLock {    public static class CLHNode {        private volatile boolean isLocked = true;    }    @SuppressWarnings("unused")    private volatile CLHNode tail;    private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class, CLHNode.class, "tail");    public void lock() {        CLHNode node = new CLHNode();        LOCAL.set(node);        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);        if (preNode != null) {            while (preNode.isLocked) {                //do something            }            preNode = null;            LOCAL.set(node);        }    }    public void unlock() {        CLHNode node = LOCAL.get();        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {            node.isLocked = false;        }        node = null;    }}

CLHlock是不停的查询前驱变量，导致不适合在NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）

MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。

public static class MCSLock {    public static class MCSNode {        volatile MCSNode next;        volatile boolean isLocked = true;    }    private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();    @SuppressWarnings("unused")    private volatile MCSNode queue;    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "queue");    public void lock() {        MCSNode currentNode = new MCSNode();        NODE.set(currentNode);        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);        if (preNode != null) {            preNode.next = currentNode;            while (currentNode.isLocked) {                //do something            }        }    }        public void unlock() {        MCSNode currentNode = NODE.get();        if (currentNode.next == null) {            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {                            } else {                while (currentNode.next == null) {                                    }            }        } else {            currentNode.next.isLocked = false;            currentNode.next = null;        }    }}

从代码上看，CLH 要比 MCS 更简单，

CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性。

MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性。

JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁即是 CLH锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。

三、阻塞锁：

阻塞锁，与自旋锁不同，改变了线程的运行状态。
在JAVA环境中，线程Thread有如下几个状态：

1，新建状态

2，就绪状态

3，运行状态

4，阻塞状态

5，死亡状态

阻塞锁，可以说是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。
JAVA中，能够进入\退出、阻塞状态或包含阻塞锁的方法有，synchronized 关键字（其中的重量锁），ReentrantLock，Object.wait()\notify(),LockSupport.park()/unpart()(j.u.c经常使用)

下面是一个JAVA 阻塞锁实例

public static class CLHLock1 {    public static class CLHNode {        private volatile Thread isLocked;    }    @SuppressWarnings("unused")    private volatile CLHNode tail;    private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock1, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock1.class, CLHNode.class, "tail");    public void lock() {        CLHNode node = new CLHNode();        LOCAL.set(node);        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);        if (preNode != null) {            preNode.isLocked = Thread.currentThread();            LockSupport.park(this);            preNode = null;            LOCAL.set(node);        }    }    public void unlock() {        CLHNode node = LOCAL.get();        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {            System.out.println("unlock\t" + node.isLocked.getName());            LockSupport.unpark(node.isLocked);        }        node = null;    }}

在这里我们使用了LockSupport.unpark()的阻塞锁。该例子是将CLH锁修改而成。

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。

四、可重入锁：

本文里面讲的是广义上的可重入锁，而不是单指JAVA下的ReentrantLock。

可重入锁，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

下面是使用实例

public class Test implements Runnable {    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();    public void get() {        lock.lock();        System.out.println(Thread.currentThread().getId());        set();        lock.unlock();    }    public void set() {        lock.lock();        System.out.println(Thread.currentThread().getId());        lock.unlock();    }    @Override    public void run() {        get();    }    public static void main(String[] args) {        Test ss = new Test();        new Thread(ss).start();        new Thread(ss).start();        new Thread(ss).start();    }}

两个例子最后的结果都是正确的，即同一个线程id被连续输出两次。

结果如下：

Threadid: 8
Threadid: 8
Threadid: 10
Threadid: 10
Threadid: 9
Threadid: 9

可重入锁最大的作用是避免死锁
我们以自旋锁作为例子，

public class SpinLock {    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();    public void lock() {        Thread current = Thread.currentThread();        while (!owner.compareAndSet(null, current)) {                    }    }    public void unlock() {        Thread current = Thread.currentThread();        owner.compareAndSet(current, null);    }}

对于自旋锁来说，
1、若有同一线程两调用lock() ，会导致第二次调用lock位置进行自旋，产生了死锁
说明这个锁并不是可重入的。（在lock函数内，应验证线程是否为已经获得锁的线程）
2、若1问题已经解决，当unlock（）第一次调用时，就已经将锁释放了。实际上不应释放锁。
（采用计数次进行统计）
修改之后，如下：

public class SpinLock1 {    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();    private int count = 0;    public void lock() {        Thread current = Thread.currentThread();        if (current == owner.get()) {            count++;            return;        }        while (!owner.compareAndSet(null, current)) {        }    }    public void unlock() {        Thread current = Thread.currentThread();        if (current == owner.get()) {            if (count != 0) {                count--;            } else {                owner.compareAndSet(current, null);            }        }    }}

该自旋锁即为可重入锁。

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