多线程编程中的锁策略

目录

1.悲观锁vs乐观锁

关键总结

悲观锁：

乐观锁：

选择建议

用 悲观锁 当：

用 乐观锁 当：

2.重量级锁vs轻量级锁 

选择建议

用 轻量级锁：

用 重量级锁：

3.挂起等待锁vs自旋锁

 关键细节说明

选择建议

4.普通互斥锁vs读写锁

       读写锁互斥规则详解

       普通互斥锁 vs 读写锁对比

5.可重入锁vs不可重入锁 

选择建议

6.公平锁vs不公平锁

1） 公平锁和不公平锁的对比

2）选择建议

7.锁升级

8.锁优化

9.锁的粗化

10.synchronized

11.reentrantlock和synchronized的对比

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锁策略（Locking Strategies）是多线程编程中用于控制并发访问共享资源的核心机制。不同的锁策略在性能、公平性、复杂度等方面有显著差异。

以下来介绍几组常见的锁策略：

1.悲观锁vs乐观锁

悲观锁：在加锁的时候预测接下来的竞争会非常激烈，所以就需要针对这种激烈的竞争情况做一些准备工作：每次拿数据的时候都会上锁，这样别人想要拿数据的时候就会阻塞知道它拿到锁。

乐观锁：在加锁的时候预测接下来的竞争不会非常激烈，也就一般不会发生并发冲突，不必多做准备。在数据进行提交更新的时候再检测是否产生并发冲突。

特性	悲观锁	乐观锁
核心思想	假设并发冲突一定会发生，因此先加锁再访问数据。	假设并发冲突较少发生，因此不加锁，通过版本号/CAS机制检测冲突。
实现方式	直接加锁（如 synchronized、ReentrantLock、数据库 SELECT FOR UPDATE）。	无锁机制（如 CAS、版本号校验、AtomicXXX 类、数据库 乐观并发控制）。
阻塞行为	❗ 会阻塞其他线程（未获取锁的线程必须等待）。	✅ 无阻塞，线程直接操作数据，冲突时通过重试或回滚解决。
适用场景	写多读少（如银行转账、库存扣减等强一致性场景）。	读多写少（如缓存、统计计数等低冲突场景）。
性能开销	高（锁竞争、上下文切换、死锁风险）。	低（无锁竞争，但冲突频繁时重试开销增大）。
数据一致性	强一致性（锁内操作串行化）。	最终一致性（冲突时需业务层处理）。
典型实现	Java: synchronized、ReentrantLock 数据库: SELECT FOR UPDATE。	Java: AtomicInteger、StampedLock 数据库: 版本号字段、CAS操作。
优缺点	✅ 保证强一致性 ❌ 吞吐量低，可能死锁。	✅ 高并发性能 ❌ 需处理冲突，可能活锁或重试饥饿。

关键总结

1. 悲观锁：

   • “先保护再操作”，适合强一致性场景，但性能较差。

   • 例如：synchronized 关键字、数据库行锁。

2. 乐观锁：

   • “先操作再校验”，适合高并发读场景，冲突少时性能极高。

   • 例如：CAS 操作、StampedLock 的乐观读模式。

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选择建议

• 用 悲观锁 当：

  • 写操作频繁，或冲突概率高（如支付系统）。

  • 业务逻辑复杂，需严格保证数据一致性。

• 用 乐观锁 当：

  • 读多写少，且冲突概率低（如商品浏览统计）。

  • 追求高吞吐量，能容忍重试或短暂不一致。

2.重量级锁vs轻量级锁 

重量级锁：应对悲观的场景，此时就要付出更多的代价，更低效。

轻量级锁：应对乐观的场景，此时付出的代价更小，更高效。

特性	重量级锁	轻量级锁
锁级别	最高级别的锁（如操作系统级互斥锁）	JVM 层面的优化锁（基于 CAS 自旋）
实现原理	通过操作系统内核的 互斥量（Mutex） 实现，涉及用户态/内核态切换。	通过 CAS（Compare-And-Swap） 和 线程栈中的锁记录（Lock Record） 实现。
阻塞方式	未获取锁的线程会 直接挂起（进入内核态等待队列），由操作系统调度唤醒。	先通过 自旋（忙等待） 尝试获取锁，失败后才升级为重量级锁。
性能开销	高（上下文切换、内核态切换、CPU 调度延迟）。	低（无系统调用，仅在用户态自旋）。
适用场景	高竞争、长临界区（如长时间持有锁的复杂操作）。	低竞争、短临界区（如快速计算的简单操作）。
锁升级	是锁膨胀的最终状态（轻量级锁/偏向锁失败后升级）。	是偏向锁失败后的中间状态，可能进一步升级为重量级锁。
典型例子	synchronized 在竞争激烈时的最终状态。	synchronized 在低竞争时的优化状态。
优点	严格保证线程安全，适合高并发冲突场景。	减少内核态开销，提高短任务性能。
缺点	吞吐量低，响应延迟高。	自旋浪费 CPU（长时间自旋可能反而降低性能）。

选择建议

• 用 轻量级锁：

  • 代码块执行时间极短（如计数器递增）。

  • 线程竞争概率低（如局部变量同步）。

• 用 重量级锁：

  • 临界区执行时间长（如数据库事务）。

  • 竞争激烈（如全局缓存更新）。

3.挂起等待锁vs自旋锁

挂起等待锁：（重量级锁的经典实现）一旦发生竞争，获取不到锁，就进入阻塞状态。

自旋锁：（轻量级锁的经典实现）一旦发生竞争，获取不到锁，就循环请求，也就是“忙等”。发生在“乐观”情况下，锁竞争很小，即使“忙等”，很快也能获取锁，等待的时间也不会很长 ，消耗的资源也就不会很多。

特性	挂起等待锁（阻塞锁）	自旋锁
实现原理	获取不到锁时，线程进入阻塞状态（WAITING），释放CPU资源	获取不到锁时，线程循环忙等待（自旋），不释放CPU
响应速度	较慢（需要线程切换和唤醒）	极快（无上下文切换）
CPU占用	低（线程挂起后不消耗CPU）	高（持续占用CPU自旋）
适用场景	锁持有时间较长（如I/O操作、复杂计算）	锁持有时间极短（如CAS操作、简单计算）
公平性	通常支持公平锁（按申请顺序获取锁）	通常是非公平锁（竞争机制）
锁升级	可能涉及内核态切换（如synchronized重量级锁）	完全在用户态运行（无系统调用）
典型实现	Java的synchronized（竞争激烈时）、ReentrantLock	Java的AtomicInteger、SpinLock（自定义实现）
优点	节省CPU资源，适合高竞争场景	无上下文切换，延迟极低
缺点	线程切换开销大，响应延迟高	自旋过久会浪费CPU，可能饥饿
死锁风险	可能死锁（需超时或中断机制）	无死锁（但可能活锁）

 关键细节说明

1. 挂起等待锁（阻塞锁）

   • 适用场景：锁竞争激烈或临界区执行时间较长（如数据库事务）。

   • 优化建议：

     • 使用ReentrantLock替代synchronized（支持超时和中断）。

     • 设置合理的锁超时时间（避免死锁）。

2. 自旋锁

   • 适用场景：锁持有时间极短（如计数器递增）。

   • 优化建议：

     • 限制自旋次数（如JVM的-XX:PreBlockSpin参数）。

     • 升级为自适应自旋锁（根据历史自旋时间动态调整）。

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选择建议

• 优先用自旋锁：

  • 临界区代码执行时间 < CPU上下文切换时间（通常约1μs）。

  • 例如：AtomicInteger的CAS操作。

• 优先用挂起等待锁：

  • 临界区代码执行时间 > 自旋消耗的CPU时间。

  • 例如：同步访问数据库连接池。

4.普通互斥锁vs读写锁

普通互斥锁：锁之间完全互斥，同一时间只能有一个线程持有锁，分为‘加锁’和‘解锁’两个过程。synchronized就是经典的普通互斥锁。

读写锁：应对某些读多写少的情况，分为“读锁”和“写锁”两种，其中“读锁”和“读锁”之间不互斥，支持了多个线程同时读取的情况，减少了锁冲突的情况。

       读写锁互斥规则详解

1. 读锁 vs 读锁

   • 不互斥：多个线程可同时持有读锁（共享）。

   • 示例：100个线程可同时读取缓存数据。

2. 读锁 vs 写锁

   • 完全互斥：

     • 已有读锁时，写锁请求被阻塞（直到所有读锁释放）。

     • 已有写锁时，读锁请求被阻塞（直到写锁释放）。

3. 写锁 vs 写锁

   • 完全互斥：同一时刻只允许一个写锁存在。

       普通互斥锁 vs 读写锁对比

特性	普通互斥锁（Mutex Lock）	读写锁（Read-Write Lock）
锁模式	排他锁（Exclusive Lock）	读锁（共享锁） + 写锁（排他锁）
并发性	完全互斥，同一时刻只有一个线程能持有锁	读锁可共享（允许多线程同时读），写锁互斥
适用场景	写操作频繁或读写操作时间相近	读多写少（如缓存、配置读取）
性能	高竞争下性能差	读并发高，写操作会阻塞所有读/写
公平性	支持公平/非公平（如ReentrantLock）	通常支持公平/非公平（如ReentrantReadWriteLock）
锁降级	不支持	支持（持有写锁的线程可以获取读锁，再释放写锁）
锁升级	不支持	不支持（读锁不能直接升级为写锁，易死锁）
实现复杂度	简单	较复杂（需维护读/写状态）
典型实现	Java: synchronized、ReentrantLock	Java: ReentrantReadWriteLock
优点	实现简单，严格保证一致性	读操作高并发，适合读多写少场景
缺点	读写均互斥，并发性差	写操作饥饿风险（长期有读锁时写锁无法获取）

5.可重入锁vs不可重入锁 

可重入锁：允许同一个线程多次获取一把锁。

不可重入锁：不允许同一个线程多次获取同一把锁。

特性	可重入锁	不可重入锁
递归调用支持	✅ 同一线程可重复获取同一把锁（计数器递增）	❌ 同一线程重复获取会死锁
死锁风险	低（允许嵌套加锁）	高（递归调用或嵌套加锁直接死锁）
实现复杂度	较高（需维护持有线程和重入次数）	简单（仅检查锁是否被占用）
典型应用场景	递归函数、同步方法调用其他同步方法	简单临界区保护（无嵌套调用场景）
性能开销	略高（需维护重入状态）	较低（无状态跟踪）
锁释放要求	必须释放与获取次数匹配（如加锁3次需解锁3次）	只需释放1次
公平性支持	通常支持（如ReentrantLock(true)）	通常不支持
中断响应	支持（lockInterruptibly()）	一般不支持
实现示例	Java: synchronized、ReentrantLock C++: std::recursive_mutex	Java: 自定义简单锁 C: pthread_mutex（默认不可重入）
适用性	通用场景（尤其是复杂同步逻辑）	极简场景（无嵌套/递归）

选择建议

• 用可重入锁：

  • 存在方法嵌套/递归调用同步代码。

  • 使用类库提供的锁（如Java的synchronized）。

• 用不可重入锁：

  • 绝对无嵌套的简单临界区（性能敏感场景）。

  • 需要极轻量级同步原语（如自定义自旋锁）。

6.公平锁vs不公平锁

公平锁：线程采用“先来后到”的思想来依次获取锁。

不公平锁：线程采用“概率相等”的思想来获取锁。

1） 公平锁和不公平锁的对比

特性	公平锁 (Fair Lock)	非公平锁 (Non-Fair Lock)
获取锁顺序	严格按照线程请求顺序（先到先得）	允许插队（新线程可能直接抢到锁）
吞吐量	较低（线程切换频繁）	较高（减少线程切换）
线程饥饿	不会发生（保证每个线程有机会执行）	可能发生（某些线程长期抢不到锁）
实现复杂度	较高（需维护等待队列）	较低（直接竞争）
适用场景	要求严格公平性（如订单处理、金融交易）	高并发场景，追求性能（如缓存、计数器）
锁获取策略	检查是否有等待更久的线程，有则排队	直接尝试获取锁，失败才进入队列
典型实现	ReentrantLock(true)	ReentrantLock(false)（默认）、synchronized
响应时间	较稳定（按序执行）	波动较大（可能某些线程更快）
CPU利用率	较低（线程频繁挂起/唤醒）	较高（减少上下文切换）
锁竞争激烈时	所有线程按序执行，但吞吐量下降	可能某些线程一直抢到锁，其他线程等待更久

2）选择建议

场景	推荐锁类型	原因
需要严格顺序（如交易系统）	公平锁	避免某些请求被无限延迟
高并发、低延迟（如缓存）	非公平锁	减少线程切换，提高吞吐量
线程执行时间差异大	公平锁	防止短任务“饿死”长任务
锁竞争不激烈	非公平锁	插队概率低，性能接近公平锁但开销更小

7.锁升级

锁升级是多线程并发控制中的一种优化策略，指JVM根据竞争情况动态调整锁的级别，从低开销锁逐步升级为高开销锁的过程。

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

锁级别	升级时机	特点	适用场景
无锁	无	对象未被任何线程锁定	新建对象
偏向锁	代码进入synchronized代码块 =>偏向锁	仅记录线程ID，无实际同步，只是一个标记，不是锁	单线程访问
轻量级锁	其他线程尝试获取这个锁 =>轻量级锁	CAS自旋尝试获取锁	低竞争多线程
重量级锁	JVM发现，当前竞争锁的情况非常激烈 =>重量级锁	操作系统互斥量实现	高竞争场景

总的来说，锁升级是懒汉模式思想的一种体现，旨在减少开销。锁升级只升不降，不可以再转化回去。

8.锁优化

锁优化是提升多线程程序性能的关键手段，JIT编译器通过逃逸分析移除不必要的锁。旨在减少锁的开销。

9.锁的粗化

锁粗化是JVM针对同步代码的一种重要优化技术，它通过合并相邻的同步块来减少不必要的锁获取/释放操作，从而提升程序执行效率。

粒度级别	含义
粗粒度	在一把锁之间代码更多
细粒度	在一把锁之间代码更少

 锁的粗化实际上就是通过将多把锁合并为一把锁来减少频繁上锁、解锁的开销，使得一把锁之间的代码变得更多。

10.synchronized

锁的类型	synchronized
悲观锁还是乐观锁？	自适应
重量级锁还是轻量级锁？	自适应
挂起等待锁还是自旋锁？	自适应
普通互斥锁还是读写锁？	普通互斥锁
可重入锁还是不可重入锁？	可重入锁
公平锁还是不公平锁？	公平锁

11.reentrantlock和synchronized的对比

ReentrantLock 是 Java 并发包(java.util.concurrent.locks)中提供的可重入互斥锁实现，它比传统的 synchronized 关键字提供更灵活的锁操作。 

以下是reentrantlock和synchronized的五点区别：

区别	reentrantlock	synchronized
实现方式	Java标准库中的类，由JDK实现	关键字，由JVM实现，JVM基于C++实现
加锁方法	通过lock（）和unlock（）方法加锁和解锁，有可能因为忘记解锁而触发线程安全问题	通过代码块控制加锁、解锁
trylock（）方法	具备trylock（）方法，尝试获取锁而不会无限期阻塞	不具备
公平锁与非公平锁	默认是非公平锁，但是也可以实现公平锁	非公平锁
等待通知机制	等待通知机制是condition类，比synchronized的wait、notify功能更为强大	wait、notify