并发编程中的锁

ゝ一纸荒年。 2024-03-25 20:48 192阅读 0赞

#### 目录 ####

*  悲观锁与乐观锁
 *  公平锁与非公平锁
 *  独占锁与共享锁
 *  可重入锁与不可重入锁
 *  可中断锁与不可中断锁
 *  读/写锁
 *  自旋锁

## 悲观锁与乐观锁 ##

**悲观锁顾名思义就是持有悲观态度，线程每次进入临界区处理数据时，都认为数据很容易被其他线程修改**。

所以，在线程进入临界区前，会用户锁锁住临界区的资源，并在处理数据的过程中一直保持锁定状态。其他线程由于无法获取到对应的资源，就会阻塞等待，直到获取锁的线程释放锁，等待的线程才能获取到锁。  
Java 中的 synchronized 重量级锁就是一种典型的悲观锁。

**乐观锁顾名思义就是持有乐观的态度，认为每次访问数据的时候其他线程都不会修改数据。**

所以，在访问数据的时候，不会对数据进行加锁操作。当涉及对数据更新的操作时，会检测数据是否被其他线程修改过：如果数据没有被修改过，则当前线程提交更新操作；如果数据被其他线程修改过，则当前线程会尝试再次读取数据，检测数据是否被其他线程修改过，如果再次检测的结果仍然为数据已经被其他线程修改过，则会再次尝试读取数据，如此反复，直到检测到的数据没有被其他线程修改过。

乐观锁在具体实现时，一般会采用版本号机制，先读取数据的版本号，在写数据时比较版本号是否一致，如果版本号一致则更新数据，否则再次读取版本号，比较版本号是否一致，直到版本号一致时更新数据。  
Java 中的乐观锁一般都是基于 CAS 自旋实现的。在 Java 中，CAS 是一种原子操作，底层调用的是硬件层面的比较并交换的逻辑。在实现时，会比较当前值与传入的期望值是否相同，如果相同，则把当前值修改为目标值，否则不修改。

Java 中的 synchronized 轻量级锁属于乐观锁，是基于抽象队列同步器（AQS）实现的锁，如 ReentrantLock 等。

> 临界区：临界区一般表示能够被多个线程共享的资源或数据，但是每次只能提供给一个线程使用。临界区资源一旦被占用，其他线程就必须等待。  
> 在并发编程中，临界区一般指受保护的对象或者程序代码片段，可以通过加锁的方式保证每次只有一个线程进入临界区，从而达到保护临界区的目的。

## 公平锁与非公平锁 ##

**公平锁的核心思想就是公平，能够保证各个线程按照顺序获取锁，也就是“先来先获取”的原则。**

例如，存在三个线程，分别为线程 1 、线程 2 和线程 3 ，并依次获取锁。首先，线程 1 获取锁，线程 2 和线程 3 阻塞等待，线程 1 执行完任务释放锁。然后，线程 2 唤醒并获取锁，执行完任务释放锁。最后，线程 3 被唤醒并获取锁，执行完任务释放锁。这就是公平锁的流程。

**非公平锁的核心思想就是每个线程获取锁的机会是不平等的，也是不公平的。先抢占锁的线程不一定能够先获取锁。**

例如，存在三个线程，分别为线程 1 、线程 2 和线程 3 ，在线程 1 和线程 2 抢占锁的过程中，线程 1 获取到锁，线程 2 阻塞等待。线程 1 执行完任务释放锁后，在唤醒线程 2 时，线程 3 尝试抢占锁，则线程 3 是可以获取到锁的。这就是非公平锁。

在 Java 中，ReentrantLock 默认的实现为非公平锁，也可以在构造方法中传入 true 来创建公平锁对象。

## 独占锁与共享锁 ##

**独占锁也叫排他锁，在多个线程争抢锁的过程中，无论是读操作还是写操纵，只能有一个线程获取到锁，其他线程阻塞等待，独占锁采取的是悲观保守策略。**

独占锁的缺点是无论对于读操作还是写操作，都只能有一个线程获取锁。但是读操作不会修改数据，如果当读操作线程获取锁时其他的读线程被阻塞，就会大大降低系统的读性能。此时，就需要用到共享锁了。

**共享锁允许多个读线程同时获取临界区资源，它采取的是乐观锁的机制。共享锁会限制写操作与写操作之间的竞争，也会限制写操作与读操作之间的竞争，但是不会限制读操作与读操作之间的竞争。**

在 Java 中，ReentrantLock 是一种独占锁，而 ReentrantReadWriteLock 可以实现读/写锁的分离，允许多个读操作同时获取读锁。

## 可重入锁与不可重入锁 ##

**可重入锁也叫递归锁，指同一个线程可以多次占用同一个锁，但是在解锁时，需要执行相同次数的解锁操作。**

例如，线程 A 在执行任务的过程中获取锁，在后续执行任务的过程中，如果遇到抢占同一个锁的情况，则也会再次获取锁。  
**不可重入锁与可重入锁在逻辑上是相反的，指一个线程不能多次占用同一个锁。**

例如，线程 A 在执行任务的过程中获取锁，在后续执行任务的过程中，如果遇到抢占同一个锁的情况，则不能再次获取锁。只有先释放锁，才能再次获取该锁。

在 Java 中，ReentrantLock 就是一种可重入锁。

## 可中断锁与不可中断锁 ##

可中断锁与不可中断锁主要指线程在阻塞等待的过程中，能否中断自己阻塞等待的状态。

**可中断锁指锁被其他线程获取后，某个线程在阻塞等待的过程中，可能由于等待的时间过长而中断阻塞等待的状态，去执行其他任务。**

**不可中断锁指锁被其他线程获取后，某个线程如果也想获取这个锁，就只能阻塞等待。如果占用锁的线程一致不释放锁，其他想获取锁的线程就会一直阻塞等待。**

在 Java 中，ReentrantLock 是一种可中断锁，synchronized 则是一种不可中断锁。

## 读/写锁 ##

**读/写锁分别为读写和写锁，当持有读锁时，能够对共享资源进行读操作，当持有写锁的时，能够对共享资源进行写操作**。写操作具有排他性，读锁具有共享性。在同一时刻，一个读/写锁只允许一个线程进行写操作，可以允许多个线程进行读操作。

当某个线程试图获取写锁时，如果发现其他线程已经获取到写锁或者读锁，则当前线程会阻塞等待，直到任何线程不再持有写锁或者读锁。

当某个线程试图获取读锁时，如果发现其他线程已经获取到读锁，则这个线程会直接获取到读锁。

当某个线程试图获取读锁时，如果发现其他线程已经获取到写锁，则这个线程会阻塞等待，直到占有写锁的线程释放锁。

在 Java 中，ReadWriteLock 是一种读/写锁。

## 自旋锁 ##

**自旋锁指某个线程在没有获取到锁时，不会立即进入阻塞等待状态，而是不断尝试获取锁，直到占有锁的线程释放锁。**

自旋锁可能引起死锁和占用 CPU 时间过长的问题。

程序不能在占用自旋锁时调用自己，也不能在递归调用时获取相同的自旋锁，可以在一定程度上避免死锁。

当某个线程进入不断尝试获取锁的循环时，可以设定一个循环时间或循环次数，超过这个时间或者次数，就让线程进入阻塞等待的状态，在一定程度上可以有效的避免长时间占用 CPU 的问腿。

在 Java 中，CAS 是在一种自旋锁。

并发编程中的锁

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