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常见的锁策略

注意: 接下来讲解的锁策略不仅仅是局限于 Java . 任何和 "锁" 相关的话题, 都可能会涉及到以下内容. 这些特性主要是给锁的实现者来参考的.普通的程序猿也需要了解一些, 对于合理的使用锁也是有很大帮助的.
 

1.乐观锁 vs 悲观锁

悲观锁:

(认为出现锁冲突是大概率事件)

总是假设最坏的情况,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阻塞直到它拿到锁。

乐观锁:

(认为出现锁冲突的小概率事件)

假设数据一般情况下不会产生并发冲突,所以在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据是

否产生并发冲突进行检测,如果发现并发冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如何

去做。

Synchronized 初始使用乐观锁策略. 当发现锁竞争比较频繁的时候, 就会自动切换成悲观锁策略.

乐观锁适用场景

乐观锁的一个重要功能就是要检测出数据是否发生访问冲突. 我们可以引入一个 "版本号" 来解决.

假设我们需要多线程修改 "用户账户余额".

设当前余额为 100. 引入一个版本号 version, 初始值为 1. 并且我们规定 "提交版本必须大于记录
当前版本才能执行更新余额

线程 A 此时准备将其读出( version=1, balance=100 ),线程 B 也读入此信息( version=1,
balance=100 ).



 

 线程 A 操作的过程中并从其帐户余额中扣除 50( 100-50 ),线程 B 从其帐户余额中扣除 20
( 100-20 );

 

线程 A 完成修改工作,将数据版本号加1( version=2 ),连同帐户扣除后余额( balance=50
),写回到内存中;

线程 B 完成了操作,也将版本号加1( version=2 )试图向内存中提交数据( balance=80
),但此时比对版本发现,操作员 B 提交的数据版本号为 2 ,数据库记录的当前版本也为 2 ,不
满足 “提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新“ 的乐观锁策略。就认为这次操作失败.


 

 2.读写锁

synchronized不是读写锁!

多线程之间,数据的读取方之间不会产生线程安全问题,但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁,就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁(readers-writer lock),看英文可以顾名思义,在执行加锁操作时需要额外表明读写意图,复数读者之间并不互斥,而写者则要求与任何人互斥。

一个线程对于数据的访问, 主要存在两种操作: 读数据 和 写数据

  • 两个线程都只是读一个数据, 此时并没有线程安全问题. 直接并发的读取即可.
  • 两个线程都要写一个数据, 有线程安全问题.
  • 一个线程读另外一个线程写, 也有线程安全问题.
     

读写锁就是把读操作和写操作区分对待. Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 类, 实现了读写锁.

  • ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.
  • ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象也提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.

 其中,

  • 读加锁和读加锁之间, 不互斥.
  • 写加锁和写加锁之间, 互斥.
  • 读加锁和写加锁之间, 互斥.
     

注意, 只要是涉及到 "互斥", 就会产生线程的挂起等待. 一旦线程挂起, 再次被唤醒就不知道隔了多久了.因此尽可能减少 "互斥" 的机会, 就是提高效率的重要途径.

适用场景:

读写锁特别适合于 "频繁读, 不频繁写" 的场景中. (这样的场景其实也是非常广泛存在的)

比如教务系统.
每节课老师都要使用教务系统点名, 点名就需要查看班级的同学列表(读操作). 这个操作可能要每周执行好几次.而什么时候修改同学列表呢(写操作)? 就新同学加入的时候. 可能一个月都不必改一次.再比如, 同学们使用教务系统查看作业(读操作), 一个班级的同学很多, 读操作一天就要进行几十次上百次.但是这一节课的作业, 老师只是布置了一次(写操作)

 

3.重量级锁 vs 轻量级锁

synchronized 开始是一个轻量级锁. 如果锁冲突比较严重, 就会变成重量级锁.

锁的核心特性 "原子性", 这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的

  • CPU 提供了 "原子操作指令".
  • 操作系统基于 CPU 的原子指令, 实现了 mutex 互斥锁.
  • JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类.

 

 注意, synchronized 并不仅仅是对 mutex 进行封装, 在 synchronized 内部还做了很多其他的
工作

重量级锁: 加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex

  • 大量的内核态用户态切换
  • 很容易引发线程的调度

这两个操作, 成本比较高. 一旦涉及到用户态和内核态的切换, 就意味着 "沧海桑田".

轻量级锁: 加锁机制尽可能不使用 mutex, 而是尽量在用户态代码完成. 实在搞不定了, 再使用 mutex.

  • 少量的内核态用户态切换.
  • 不太容易引发线程调度

理解用户态 vs 内核态
想象去银行办业务.
在窗口外, 自己做, 这是用户态. 用户态的时间成本是比较可控的.
在窗口内, 工作人员做, 这是内核态. 内核态的时间成本是不太可控的.
如果办业务的时候反复和工作人员沟通, 还需要重新排队, 这时效率是很低的.

4.自旋锁(Spin Lock)

synchronized开始是自旋锁,后面锁竞争激烈就成了挂起等待锁

synchronized 中的轻量级锁策略大概率就是通过自旋锁的方式实现的.

按之前的方式,线程在抢锁失败后进入阻塞状态,放弃 CPU,需要过很久才能再次被调度.
但实际上, 大部分情况下,虽然当前抢锁失败,但过不了很久,锁就会被释放。没必要就放弃 CPU. 这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题.

自旋锁伪代码:

while (抢锁(lock) == 失败) {}

如果获取锁失败, 立即再尝试获取锁, 无限循环, 直到获取到锁为止. 第一次获取锁失败, 第二次的尝试会在极短的时间内到来.一旦锁被其他线程释放, 就能第一时间获取到锁.

理解自旋锁 vs 挂起等待锁

想象一下, 去追求一个女神. 当男生向女神表白后, 女神说: 你是个好人, 但是我有男朋友了~~
挂起等待锁: 陷入沉沦不能自拔.... 过了很久很久之后, 突然女神发来消息, "咱俩要不试试?" (注意,这个很长的时间间隔里, 女神可能已经换了好几个男票了).
自旋锁: 死皮赖脸坚韧不拔. 仍然每天持续的和女神说早安晚安. 一旦女神和上一任分手, 那么就能立刻抓住机会上位.

自旋锁是一种典型的 轻量级锁 的实现方式

自旋锁也是一种典型的 乐观锁 的实现方式

挂起等待锁也可以认为是重量级锁的典型实现方式

挂起等待锁也可以认为是悲观锁的典型实现方式

  • 优点: 没有放弃 CPU, 不涉及线程阻塞和调度, 一旦锁被释放, 就能第一时间获取到锁.
  • 缺点: 如果锁被其他线程持有的时间比较久, 那么就会持续的消耗 CPU 资源. (而挂起等待的时候是不消耗 CPU 的

5.公平锁 vs 非公平锁

synchronized内部实现是非公平锁

公平锁:

如果多个线程发生了锁竞争,当锁被释放的时候,这些等待的线程,遵循先来后到的顺序来拿到锁。

非公平锁:

如果多个线程发生了锁竞争,当锁被释放的时候,这些线程不遵循先来后到(这些线程谁都有机会拿到锁,机会均等)

  • 操作系统内部的线程调度就可以视为是随机的. 如果不做任何额外的限制, 锁就是非公平锁. 如果要想实现公平锁, 就需要依赖额外的数据结构(队列), 来记录线程们的先后顺序.
  • 公平锁和非公平锁没有好坏之分, 关键还是看适用场景.
     

6.可重入锁 vs 不可重入锁

synchronized 是可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”,即允许同一个线程多次获取同一把锁。
比如一个递归函数里有加锁操作,递归过程中这个锁会阻塞自己吗?如果不会,那么这个锁就是可重入锁(因为这个原因可重入锁也叫做递归锁)。
Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁,而且JDK提供的所有现成的Lock实现类,包括synchronized关键字锁都是可重入的。
而 Linux 系统提供的 mutex 是不可重入锁
 

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