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并发编程之Java锁

2019-10-25 06:52:18来源：博客园阅读 ()

并发编程之Java锁

一、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

synchronized：

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

    public synchronized  void set() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
        get();
    }

    @Override
    public void run() {
        set();
    }

    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();
    }
}

ReentrantLock：

public class Test02 extends Thread {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get() {
        try{
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        }catch (Exception e){

        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void set() {
        try{
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getId());
            get();
        }catch (Exception e){

        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        set();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test ss = new Test();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }

}

正常情况下在函数自行完毕后会释放锁，以上两种方式均在已获得锁的函数中重新调用了需要锁的函数，如果没有可重入性，那么调用新的需要锁的函数时，将会造成死锁。可重用锁在递归调用中非常重要。

二、读写锁

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（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。

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) {
        
        try {
            r.lock();
            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) {
        
        try {
            w.lock();
            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() {
        try {
            w.lock();
            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();
    }
}

三、悲观锁、乐观锁

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。

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。

核心SQL语句:

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

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。

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。

四、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。

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。类似于mysql中的version字段的乐观锁

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

五、CAS无锁模式

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。

1、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：
第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
第二，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。（V表示要更新的变量主线程的值主内存，E表示预期值本地内存工作内存，N表示新值）
（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。