Java并发编程锁

2020-03-08 本文已影响0人香沙小熊

1.Lock接口

1.1 简介、地位、作用

锁是一种工具，用于控制对共享资源的访问。
Lock和synchronized，这两个是最常见的锁，它们都可以达到线程安全的目的，但是在使用上和功能上又有较大的不同。
Lock并不是用来代替synchronized的，而是当使用synchronized不合适或不足以满足要求的时候，来提供高级功能的。
Lock接口最常见的实现类时ReentrantLock
通常情况下，Lock只允许一个线程来访问这个共享资源。不过有的时候，一些特殊的实现也可以允许并发访问，比如ReadWriteLock里面的ReadLock。

1.2 为什么synchronized不够用？

1.2.1 效率低：锁的释放情况少、试图获得锁时不能设定超时、不能中断一个正在试图获得锁的线程。
1.2.2 不够灵活（读写锁更灵活）：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的。
1.2.3 无法知道是否成功获取到锁。

1.3 Lock主要方法介绍
在Lock中声明了四个方法来获取锁

lock()

就是最普通的获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待
Lock不会像synchronized一样在异常时自动释放锁
因此最佳实践是，在finally中释放锁，以保证发生异常时锁一定被释放
lock()方法不能被中断，这样会带来很大的隐患：一旦陷入死锁，lock()就会陷入永久等待

tryLock()

tryLock()用来尝试获取锁，如果当前锁没有被其他线程占用。则获取成功，则返回true，否则返回false，代表获取锁失败
相比于lock，这样的方式显然功能更强大了，我们可以根据是否能获取到锁决定后续程序的行为

tryLock(long time,TimeUnit unit)

超时就放弃

该方法会立即返回，即便在拿不到锁时不会一直在那等

public class TryLockDeadLock implements Runnable {
    static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    static Lock lock2 = new ReentrantLock();
    int flag = 1;

    public static void main(String[] args) {
        TryLockDeadLock tryLockDeadLock1 = new TryLockDeadLock();
        TryLockDeadLock tryLockDeadLock2 = new TryLockDeadLock();
        tryLockDeadLock1.flag = 1;
        tryLockDeadLock2.flag = 2;
        new Thread(tryLockDeadLock1).start();
        new Thread(tryLockDeadLock2).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (flag == 1) {
                try {
                    if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("线程1获取到了锁1");
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            if (lock2.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                                try {
                                    System.out.println("线程1获取到了锁2");
                                    System.out.println("线程1成功获取到了2把锁");
                                    break;
                                } finally {
                                    lock2.unlock();
                                }
                            } else {
                                System.out.println("线程1获取锁2失败，已重试");
                            }
                        } finally {
                            lock1.unlock();
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                        }
                    } else {
                        System.out.println("线程1获取锁1失败，已重试");
                    }

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (flag == 2) {
                try {
                    if (lock2.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            System.out.println("线程2获取到了锁2");
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                            if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                                try {
                                    System.out.println("线程2获取到了锁1");
                                    System.out.println("线程2成功获取到了2把锁");
                                    break;
                                } finally {
                                    lock1.unlock();
                                }
                            } else {
                                System.out.println("线程2获取锁2失败,已重试");
                            }
                        } finally {
                            lock2.unlock();
                            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                        }
                    } else {
                        System.out.println("线程2获取锁2失败，已重试");
                    }

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

线程1获取到了锁1
线程2获取到了锁2
线程1获取锁2失败，已重试
线程2获取到了锁1
线程2成功获取到了2把锁
线程1获取到了锁1
线程1获取到了锁2
线程1成功获取到了2把锁

lockInterruptibly()

相当于tryLock(long time,TimeUnit unit)把超时时间设置为无限。在等待锁的过程中，线程可以被中断

public class LockInterruptibly implements Runnable {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        LockInterruptibly lockInterruptibly = new LockInterruptibly();
        Thread thread0 = new Thread(lockInterruptibly);
        Thread thread1 = new Thread(lockInterruptibly);
        thread0.start();
        thread1.start();

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread1.interrupt();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取锁");
        try {
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁");
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "睡眠期间被中断了");
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了锁");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得锁期间被中断了");
        }
    }
}

输出结果1

Thread-1尝试获取锁
Thread-0尝试获取锁
Thread-1获取到了锁
Thread-1睡眠期间被中断了
Thread-1释放了锁
Thread-0获取到了锁
Thread-0释放了锁

输出结果2

Thread-0尝试获取锁
Thread-1尝试获取锁
Thread-0获取到了锁
Thread-1获得锁期间被中断了
Thread-0释放了锁

unlock 解锁

1.4 可见性保证

可见性
happens-before
因为jvm会对代码进行编译优化，指令会出现重排序的情况，为了避免编译优化对并发编程安全性的影响，需要happens-before规则定义一些禁止编译优化的场景，保证并发编程的正确性。

public class VolatileExample {
    int x = 0 ;
    volatile boolean v = false;
    public void writer(){
        x = 42;
        v = true;
    }

    public void reader(){
        if (v == true){
            // 这里x会是多少呢
        }
    }
}

抛出问题：假设有两个线程A和B，A执行了writer方法，B执行reader方法，那么B线程中独到的变量x的值会是多少呢？

jdk1.5之前，线程B读到的变量x的值可能是0，也可能是42，jdk1.5之后，变量x的值就是42了。原因是jdk1.5中，对volatile的语义进行了增强。来看一下happens-before规则在这段代码中的体现。
jdk1.5之前，线程B读到的变量x的值可能是0，也可能是42，jdk1.5之后，变量x的值就是42了。原因是jdk1.5中，对volatile的语义进行了增强。来看一下happens-before规则在这段代码中的体现。

1. 规则一：程序的顺序性规则

一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作happens-before后续的任何操作。

对于这一点，可能会有疑问。顺序性是指，我们可以按照顺序推演程序的执行结果，但是编译器未必一定会按照这个顺序编译，但是编译器保证结果一定==顺序推演的结果。

2. 规则二：volatile规则

对一个volatile变量的写操作，happens-before后续对这个变量的读操作。

3. 规则三：传递性规则

如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。

jdk1.5的增强就体现在这里。回到上面例子中，线程A中，根据规则一，对变量x的写操作是happens-before对变量v的写操作的，根据规则二，对变量v的写操作是happens-before对变量v的读操作的，最后根据规则三，也就是说，线程A对变量x的写操作，一定happens-before线程B对v的读操作，那么线程B在注释处读到的变量x的值，一定是42.

4.规则四：管程中的锁规则

对一个锁的解锁操作，happens-before后续对这个锁的加锁操作。

这一点不难理解。

5.规则五：线程start()规则

主线程A启动线程B，线程B中可以看到主线程启动B之前的操作。也就是start() happens before 线程B中的操作。

6.规则六：线程join()规则

主线程A等待子线程B完成，当子线程B执行完毕后，主线程A可以看到线程B的所有操作。也就是说，子线程B中的任意操作，happens-before join()的返回。

2.锁的分类

image.png

3.乐观锁和悲观锁

3.1 为什么会诞生非互斥同步锁（乐观锁）

互斥同步锁（悲观锁）的劣势

阻塞和唤醒带来的性能劣势
永久阻塞：如果持有锁的线程被永久阻塞，比如遇到了无限循环、死锁等活跃性问题，那么等待该线程释放锁的线程，将永远也得不到执行。
优先级反转被阻塞的优先级高的线程等待优先级低的线程

3.2 什么是乐观锁和悲观锁

从是否锁住资源的角度分类

悲观锁

如果不锁住资源，被人就回来争抢，就会造成数据结果错误，所以每次悲观锁为了确保结果的正确性，会在每次获取并修改数据时，把数据锁住，让别人无法访问数据，这样就就可以保证数据内容万无一失。
Java中悲观锁的实现就是synchronized和Lock相关类

乐观锁

认为自己在处理操作的时候不会有其它线程的来干扰，所以并不会锁住被操作对象
在更新的时候，去对比在我修改的期间数据有没有被其他人改变过：
如果没有改变过，就去正常修改数据。
如果数据和我一开始拿到的不一样，就不去修改数据，会选择放弃、报错、重试等策略。
乐观锁的实现一般都是利用CAS算法来实现的。
乐观锁Java的典型例子就是原子类、并发容器等。
乐观锁的其它例子：
1.Git
2.update set num = 2,version=version+1where version=1 and id = 5;

3.3 开销对比

悲观锁的原始开销要高于乐观锁，但是特点是一劳永逸，临界区持锁时间就算越来越差，也不会对互斥锁的开销造成影响
乐观锁一开始的开销比悲观锁小，但是如果自旋时间很长或者不停重试，那么消耗的资源也会越来越多。

临界区表示一种公共资源或共享数据，可以被多个线程使用。但是每一次只能有一个线程使用它。一旦临界区资源被占用，想使用该资源的其他线程必须等待。在java中通常使用下面的方式来实现

synchronized(syncObject) { 
    //critical section
}

3.4 使用场景

悲观锁：适合并发写入多的情况，适用于临界区持锁时间比较长的情况，悲观锁可以避免大量的无用自旋等消耗，典型情况：

临界区有IO操作
临界区代码复杂或者循环量大
临界区竞争非常激烈
乐观锁：适合并发写入少，大部分是读取的场景，不加锁能让读取性能大幅提高。

4.可重入锁和非可重入锁

非可重入锁

所谓不可重入锁，即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。
我们尝试设计一个不可重入锁：

public class Lock{
    private boolean isLocked = false;
    public synchronized void lock() throws InterruptedException{
        while(isLocked){
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }
    public synchronized void unlock(){
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

public class LockTest {
    Lock lock = new Lock();
    public void methodA() {
        try {
            lock.lock();
            methodB();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

        System.out.println("methodA 执行完了");
    }

    public void methodB() throws InterruptedException {

        try {
            lock.lock();
            System.out.println("methodB 正在执行...");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public static void main(String[] args)  {
        LockTest lockTest = new LockTest();
        lockTest.methodA();
    }

}

发生死锁，结果无输出

可重入锁

可重入锁，指的是以线程为单位，当一个线程获取对象锁之后，这个线程可以再次获取本对象上的锁，而其他的线程是不可以的。
synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。
将前面

public class LockTest {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock ();
    public void methodA() {
        try {
            lock.lock();
            methodB();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

        System.out.println("methodA 执行完了");
    }

    public void methodB()  {

        try {
            lock.lock();
            System.out.println("methodB 正在执行...");
        }  finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public static void main(String[] args)  {
        LockTest lockTest = new LockTest();
        lockTest.methodA();
    }

}

methodB 正在执行...
methodA 执行完了

查看线程得到锁的个数

public class GetHoldCount {
    private  static ReentrantLock lock =  new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.lock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
        lock.unlock();
        System.out.println(lock.getHoldCount());
    }
}

public class RecursionDemo {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private static void accessResource() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("已经对资源进行了处理");
            if (lock.getHoldCount()<5) {
                System.out.println(lock.getHoldCount());
                accessResource();
                System.out.println(lock.getHoldCount());
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        accessResource();
    }
}

可重入锁优点

避免死锁
提升代码封装性

源码实现

可重入锁ReentrantLock

image.png

非可重入锁ThreadPoolExecutor得Worker类

image.png

ReentrantLock的其他方法介绍

isheldbycurrentthread()：查询当前线程是否保持此锁。
getQueueLength()：返回正等待获取此锁定线程数，如果一共开启了5个线程，一个线程执行了await()方法，那么在调用此方法是，返回4，说明此时正有4个线程在等待锁的释放。

5.公平锁和非公平锁

5.1什么是公平和非公平

公平指的是按照线程请求的顺序，来分配锁；非公平指的是，不完全按照请求的顺序，在一定的情况下，可以插队。
注意：非公平也同样不提倡“插队”行为，这里的非公平，指的是“在合适的时机”插队，而不是盲目插队。

公平锁

public class Service {

    private ReentrantLock lock;

    public Service(boolean isFair) {
        super();
        lock = new ReentrantLock(isFair);
    }

    public void serviceMethod() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                    + "获取锁定");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        final Service service = new Service(true);
        Runnable runnable = new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName()
                        + "运行了");
                service.serviceMethod();
            }
        };
        Thread[] threadArray = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadArray[i] = new Thread(runnable);
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadArray[i].start();
        }
    }
}

线程Thread-0运行了
线程Thread-1运行了
Thread-0获取锁定
线程Thread-4运行了
Thread-1获取锁定
Thread-4获取锁定
线程Thread-5运行了
Thread-5获取锁定
线程Thread-8运行了
Thread-8获取锁定
线程Thread-2运行了
Thread-2获取锁定
线程Thread-3运行了
Thread-3获取锁定
线程Thread-6运行了
Thread-6获取锁定
线程Thread-9运行了
Thread-9获取锁定
线程Thread-7运行了
Thread-7获取锁定

非公平

上述代码true 修改为false

final Service service = new Service(false);

线程Thread-0运行了
线程Thread-4运行了
线程Thread-5运行了
线程Thread-1运行了
Thread-0获取锁定
Thread-4获取锁定
线程Thread-2运行了
线程Thread-3运行了
Thread-5获取锁定
线程Thread-8运行了
Thread-8获取锁定
Thread-1获取锁定
Thread-2获取锁定
线程Thread-7运行了
Thread-3获取锁定
Thread-7获取锁定
线程Thread-9运行了
线程Thread-6运行了
Thread-9获取锁定
Thread-6获取锁定

5.2 什么要有非公平锁

为了提高效率，避免唤醒带来的空档期

5.3公平和非公平的优缺点

类型	优势	劣势
公平锁	各线程公平平等，每个线程在等待一段时间后，总有执行的机会	更慢，吞吐量更小
不公平锁	更快，吞吐量更大	有可能产生线程饥饿，也就是某些线程在长时间内，始终得不到执行

image.png

6.共享锁和排它锁：以ReentrantReadWriteLock读写锁

排它锁，又称为独占锁，独享锁

共享锁，又称为读锁，获得共享锁之后，可以查看但无法修改和删除数据，其他线程此时也可以获取到共享锁，也可以查看单无法修改和删除数据

共享锁和排它锁的典型是读写锁ReentrantReadWriteLock，其中读锁是共享锁，写锁是独享锁。

6.1读写锁的作用

在没有读写锁之前，我们假设使用ReentrantLock，那么虽然我们保证了线程安全，但是浪费了一定资源，多个读操作同时进行，并没有线程安全问题
在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如果没有写锁的情况下，读是阻塞的，提高了程序的执行效率。

6.2读写锁的规则

多个线程只申请读锁，都可以申请到
如果有一个线程已经占有了读锁，则此时其它线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁
如果有一个线程已经占有了写锁，则此时其它线程如果要申请写锁或者读锁，则申请写锁的线程会一直等待释放写锁
总结：要么一个或多个线程同时有读锁，要么是一个线程有写锁，但是两者不会同时出现。

读写锁只是一把锁，可以通过两种方式锁定：读锁定和写锁定。读写锁可以同时被一个或多个线程读锁定，也可以被单一线程写锁定。但是永远不能同时对这把锁进行读锁定和写锁定。

ReentrantReadWriteLock用法

public class ReadWrite {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了读锁，正在读取");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了写锁，正在写入");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->read(),"Thread1").start();
        new Thread(()->read(),"Thread2").start();
        new Thread(()->write(),"Thread3").start();
        new Thread(()->write(),"Thread4").start();
    }
}

Thread1得到了读锁，正在读取
Thread2得到了读锁，正在读取
Thread1释放读锁
Thread2释放读锁
Thread3得到了写锁，正在写入
Thread3释放写锁
Thread4得到了写锁，正在写入
Thread4释放写锁

可以同时读，不能同时写

6.3读锁和写锁的交互方式

读锁插队策略
公平锁：不允许插队
非公平锁下：假设线程2和线程4正在同时读取，线程3想要写入，拿不到锁，于是进入等待队列，线程5不在队列里，现在过来想要读取。此时有2中策略：
策略1：读可以插队

效率高
容易造成饥饿

策略2：避免饥饿
1.写锁可以随时插队
2.读锁仅在等待队列头结不是想获取写锁的线程的时候可以插队。

ReentrantReadWriteLock 选择了策略2

6.4ReentrantReadWriteLock源码

公平锁的情况

image.png

非公平锁的情况

image.png

public class ReadWriteQueue {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(false);
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了读锁，正在读取");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了写锁，正在写入");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->write(),"Thread1").start();
        new Thread(()->read(),"Thread2").start();
        new Thread(()->read(),"Thread3").start();
        new Thread(()->write(),"Thread4").start();
        new Thread(()->read(),"Thread5").start();
    }
}

Thread1得到了写锁，正在写入
Thread1释放写锁
Thread2得到了读锁，正在读取
Thread3得到了读锁，正在读取
Thread2释放读锁
Thread3释放读锁
Thread4得到了写锁，正在写入
Thread4释放写锁
Thread5得到了读锁，正在读取
Thread5释放读锁

非公平锁：读锁仅在等待队列头结不是想获取写锁的线程的时候可以插队
代码验证如下

public class NonfairBargeDemo {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(
            false);

    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void read() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取读锁");
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到读锁，正在读取");
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取写锁");
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到写锁，正在写入");
            try {
                Thread.sleep(40);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->write(),"Thread1").start();
        new Thread(()->read(),"Thread2").start();
        new Thread(()->read(),"Thread3").start();
        new Thread(()->write(),"Thread4").start();
        new Thread(()->read(),"Thread5").start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Thread thread[] = new Thread[1000];
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    thread[i] = new Thread(() -> read(), "子线程创建的Thread" + i);
                }
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    thread[i].start();
                }
            }
        }).start();
    }
}

image.png

6.4锁的升降级

同一个线程中，在没有释放读锁的情况下，就去申请写锁，这属于锁升级，ReentrantReadWriteLock是不支持的。
同一个线程中，在没有释放写锁的情况下，就去申请读锁，这属于锁降级，ReentrantReadWriteLock是支持的

public class Upgrading {

    private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(
            false);
    private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    private static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    private static void readUpgrading() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了读锁，正在读取");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("升级会带来阻塞");
            writeLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了写锁，升级成功");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void writeDowngrading() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到了写锁，正在写入");
            Thread.sleep(1000);
            readLock.lock();
            System.out.println("在不释放写锁的情况下，直接获取读锁，成功降级");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            readLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("先演示降级是可以的");
        Thread thread1 = new Thread(() -> writeDowngrading(), "Thread1");
        thread1.start();
        thread1.join();
        System.out.println("------------------");
        System.out.println("演示升级是不行的");
        Thread thread2 = new Thread(() -> readUpgrading(), "Thread2");
        thread2.start();
    }
}

先演示降级是可以的
Thread1得到了写锁，正在写入
在不释放写锁的情况下，直接获取读锁，成功降级
Thread1释放写锁
------------------
演示升级是不行的
Thread2得到了读锁，正在读取
升级会带来阻塞

ReentrantReadWriteLock 能降级不能升级

锁降级中读锁的获取是否必要呢？

答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（记作线程T）获取了写锁并修改了数据，那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁，即遵循锁降级的步骤，则线程T将会被阻塞，直到当前线程使用数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进行数据更新。

public class DegradeLock {
    private int value;
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private Lock readLock = lock.readLock();
    private Lock writeLock = lock.writeLock();

    public void writeRead(){
        try{
            Thread.sleep(300);
        }  catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.writeLock.lock();//1
        this.value++; //2
        //this.readLock.lock(); //3
        this.writeLock.unlock();//4

        System.out.printf("%s 读取到value的值为 %d \n",Thread.currentThread().getName(),this.value);
        // this.readLock.unlock();//5
    }

    public static void main(String[] args) {
        DegradeLock dl = new DegradeLock();
        new Thread(()->dl.writeRead()).start();
        new Thread(()->dl.writeRead()).start();
        new Thread(()->dl.writeRead()).start();
        new Thread(()->dl.writeRead()).start();
        new Thread(()->dl.writeRead()).start();
    }
}

image.png

可以看到，出现并发问题了。

把代码中的注释打开之后，问题解决。

原因是3处又用读锁锁了一次，4处虽然释放了锁，由于又加了3处的锁，读写锁互斥，其他线程仍然无法进入2处修改值，只有到5处释放了锁，其它线程才能竞争1处的锁。

6.5适合场景

ReentrantReadWriteLock适用于读多写少的情况，合理使用可以进一步提高并发效率。

7.自旋锁和阻塞锁

阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。

如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。
如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程能否很快就释放锁。
而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。
这就是自旋。

自旋的缺点：

不能代替阻塞。虽然避免线程切换的开销，但要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被长时间占用，那么自旋的线程只会浪费处理器资源。
所以，自旋等待的时间必须有一定的限度，如果自旋超过了限度次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。
自旋锁的实现原理同样也是CAS，AtomInteger中调用unsafe进行自增操作的源码中do-while循环就是一个自旋操作，如果修改数值失败则通过循环来执行自旋，直至修改成功。

public class SpinLock {

    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();

    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        while (!sign.compareAndSet(null, current)) {
            System.out.println("自旋获取失败，再次尝试");
        }
    }

    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(current, null);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取自旋锁");
                spinLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了自旋锁");
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了自旋锁");
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

自旋锁的适用场景
自旋锁一般用于多核的服务器，在并发度不是特别高的情况下，比阻塞锁的效率高
自旋锁适用于临界区比较短小的情况，负责如果临界区（线程一旦拿到锁，很久以后才释放），那也是不合适的。

8.可中断锁：顾名思义，就是可以响应中断的锁

如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一个线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以中断它，这就是可中断锁。

在Java中，synchronized就是不可中断锁，而Lock是可中断锁，因为tryLock(time)和lockInterruptibly都能响应中断。

9.锁优化

9.1 Java虚拟机对锁的优化

自旋锁和自适应
锁消除
锁粗化

9.2 如何优化锁和提高并发性能

缩小同步代码块
尽量不要锁住方法
减少请求锁的次数
避免人为制造热点
锁中尽量不要再包含锁
6 选择合适的锁类型或合适的工具类

Java并发编程 锁

1.Lock接口

1.1 简介、地位、作用

1.2 为什么synchronized不够用？

lock()

tryLock()

tryLock(long time,TimeUnit unit)

lockInterruptibly()

unlock 解锁

1.4 可见性保证

1. 规则一：程序的顺序性规则

2. 规则二：volatile规则

3. 规则三：传递性规则

4.规则四：管程中的锁规则

5.规则五：线程start()规则

6.规则六：线程join()规则

2.锁的分类

3.乐观锁和悲观锁

3.1 为什么会诞生非互斥同步锁（乐观锁）

互斥同步锁（悲观锁）的劣势

3.2 什么是乐观锁和悲观锁

3.3 开销对比

临界区表示一种公共资源或共享数据，可以被多个线程使用。但是每一次只能有一个线程使用它。一旦临界区资源被占用，想使用该资源的其他线程必须等待。在java中通常使用下面的方式来实现

3.4 使用场景

4.可重入锁和非可重入锁

非可重入锁

可重入锁

可重入锁优点

源码实现

ReentrantLock的其他方法介绍

5.公平锁和非公平锁

5.1什么是公平和非公平

公平锁

非公平

5.2 什么要有非公平锁

5.3公平和非公平的优缺点

6.共享锁和排它锁：以ReentrantReadWriteLock读写锁

排它锁，又称为独占锁，独享锁

共享锁，又称为读锁，获得共享锁之后，可以查看但无法修改和删除数据，其他线程此时也可以获取到共享锁，也可以查看单无法修改和删除数据

6.1读写锁的作用

6.2读写锁的规则

ReentrantReadWriteLock用法

6.3读锁和写锁的交互方式

ReentrantReadWriteLock 选择了策略2

6.4ReentrantReadWriteLock源码

公平锁的情况

非公平锁的情况

6.4锁的升降级

ReentrantReadWriteLock 能降级不能升级

锁降级中读锁的获取是否必要呢？

6.5适合场景

7.自旋锁和阻塞锁

8.可中断锁：顾名思义，就是可以响应中断的锁

9.锁优化

9.1 Java虚拟机对锁的优化

9.2 如何优化锁和提高并发性能

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