java架构师并发编程之锁的深度化

不念不忘少年蓝@ 2023-06-15 10:00 63阅读 0赞

## **1、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（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)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。

案例（1）：

public class Test implements Runnable {
    	public  synchronized void get() {
    		System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");
    		set();
    	}
    
    	public synchronized  void set() {
    		System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
    	}
    
    	@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();
    		new Thread(ss).start();
    	}
    }

案例（2）：

public class Test02 extends Thread {
    	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();
    	}
    
    }

## 2、**读写锁** ##

相比[Java中的锁(Locks in Java)][Java_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：也就是说：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。

案例：

public class Cache {
    	static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    	static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    	static Lock r = rwl.readLock();
    	static Lock w = rwl.writeLock();
    
    	// 获取一个key对应的value
    	public static final Object get(String key) {
    		r.lock();
    		try {
    			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
    			Thread.sleep(100);
    			Object object = map.get(key);
    			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
    			System.out.println();
    			return object;
    		} catch (InterruptedException e) {
    
    		} finally {
    			r.unlock();
    		}
    		return key;
    	}
    
    	// 设置key对应的value，并返回旧有的value
    	public static final Object put(String key, Object value) {
    		w.lock();
    		try {
    
    			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
    			Thread.sleep(100);
    			Object object = map.put(key, value);
    			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
    			System.out.println();
    			return object;
    		} catch (InterruptedException e) {
    
    		} finally {
    			w.unlock();
    		}
    		return value;
    	}
    
    	// 清空所有的内容
    	public static final void clear() {
    		w.lock();
    		try {
    			map.clear();
    		} finally {
    			w.unlock();
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		new Thread(new Runnable() {
    
    			@Override
    			public void run() {
    				for (int i = 0; i < 10; i++) {
    					Cache.put(i + "", i + "");
    				}
    
    			}
    		}).start();
    		new Thread(new Runnable() {
    
    			@Override
    			public void run() {
    				for (int i = 0; i < 10; i++) {
    					Cache.get(i + "");
    				}
    
    			}
    		}).start();
    	}
    }

## 3、**悲观锁、乐观锁** ##

### **3.1、乐观锁** ###

总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

**（1）version方式：**一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

乐观锁原理：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW80MzIy_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

核心SQL语句：

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};

**（2）CAS操作方式：**即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

### 3.2、**悲观锁** ###

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

## 4、**原子类** ##

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

Java中的原子操作类大致可以分为4类：**原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型**。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类：

AtomicBoolean
    
    AtomicInteger
    
    AtomicLong
    
    AtomicReference

案例：

public class Test0001 implements Runnable {
    	private static Integer count = 1;
    	private static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();
    
    	@Override
    	public void run() {
    		while (true) {
    			int count = getCountAtomic();
    			System.out.println(count);
    			if (count >= 150) {
    				break;
    			}
    		}
    	}
    
    	public synchronized Integer getCount() {
    		try {
    			Thread.sleep(50);
    		} catch (Exception e) {
    			// TODO: handle exception
    		}
    
    		return count++;
    	}
    
    	public Integer getCountAtomic() {
    		try {
    			Thread.sleep(50);
    		} catch (Exception e) {
    			// TODO: handle exception
    		}
    		return atomic.incrementAndGet();
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Test0001 test0001 = new Test0001();
    		Thread t1 = new Thread(test0001);
    		Thread t2 = new Thread(test0001);
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    
    }

## **5、CAS无锁模式** ##

### **5.1、为什么会有原子类** ###

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.\*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

### **5.2、CAS算法理解** ###

（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：

*  在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
 *  它天生就是死锁免疫的。

（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。

### **5.3、CAS（乐观锁算法）的基本假设前提** ###

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{   
           备份旧数据；  
           基于旧数据构造新数据；  
    }while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

例如：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW80MzIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

（上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。）

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1YW5tYW80MzIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

案例：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
            int v;
            do {
                v = getIntVolatile(o, offset);
            } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
            return v;
        }

案例：

/** 
    	 * 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;  
    	    }  
    	}

### **5.4、CAS缺点** ###

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

[Java_Locks in Java]: http://ifeve.com/locks/
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