一篇文章讲完java中的锁
悲观锁和乐观锁都是并发编程中常用的锁机制，用于处理多线程对共享资源的访问。
悲观锁：认为并发访问会导致冲突，因此在访问共享资源前，悲观地认为其他线程可能会修改该资源，因此采取加锁的方式，保证当前线程独占该资源的访问权，其他线程必须等待当前线程释放锁后才能访问该资源。例如，Java中的synchronized关键字就是一种悲观锁机制。
乐观锁：相反，乐观锁认为并发访问不会导致冲突，因此不加锁，而是在访问共享资源时，先获取该资源的版本号或者时间戳等标识，然后进行操作，在更新该资源时，比较当前版本号或时间戳是否与之前获取的相同，如果相同，则说明该资源没有被其他线程修改过，可以进行更新，否则说明该资源已经被其他线程修改，操作失败，需要重试。例如，Java中的CAS（Compare and Swap）操作就是一种乐观锁机制。
悲观锁和乐观锁都有各自的优缺点。悲观锁虽然保证了数据的安全性，但是需要频繁地加锁和释放锁，会带来较大的性能开销，尤其在高并发的情况下会造成资源的浪费。乐观锁虽然避免了加锁和释放锁的开销，但是需要进行额外的版本号或时间戳的比较和更新操作，如果并发冲突较多，重试次数会增多，影响性能。因此，在实际开发中需要根据具体情况选择合适的锁机制。
乐观锁实现方式
乐观锁通常使用版本号（Version Number）或时间戳（Timestamp）等方式来实现。
使用版本号实现乐观锁的步骤如下：
- 在需要并发访问的数据结构中，增加一个版本号字段，初始值为1。
- 当某个线程需要读取该数据时，先读取版本号并保存到本地。
- 当该线程需要对数据进行更新时，先对本地保存的数据进行修改，并将版本号加1。
- 当该线程尝试将更新后的数据提交回数据结构时，需要比较本地保存的版本号和当前数据结构中的版本号是否相同。如果相同，则表示该数据没有被其他线程修改，可以更新数据结构中的数据和版本号；否则，需要重试更新操作。
使用时间戳实现乐观锁的步骤如下：
- 在需要并发访问的数据结构中，增加一个时间戳字段，记录最后一次修改该数据的时间。
- 当某个线程需要读取该数据时，先读取时间戳并保存到本地。
- 当该线程需要对数据进行更新时，先对本地保存的数据进行修改，并将时间戳更新为当前时间。
- 当该线程尝试将更新后的数据提交回数据结构时，需要比较本地保存的时间戳和当前数据结构中的时间戳是否相同。如果相同，则表示该数据没有被其他线程修改，可以更新数据结构中的数据和时间戳；否则，需要重试更新操作。
乐观锁的实现方式相对简单，但需要考虑到并发冲突的情况，需要设计合适的重试机制，避免出现死锁或者数据不一致的情况。
Java 锁的分类
Java中锁的分类可以根据不同的维度进行划分，下面是一些常见的分类方式：
- 按照锁的粒度分类：
- 细粒度锁：例如synchronized关键字，锁的粒度较小，可以用于保护单个对象的状态。
- 粗粒度锁：例如ReentrantLock等，锁的粒度较大，可以用于保护多个对象的状态。
- 按照锁的可重入性分类：
- 可重入锁：例如ReentrantLock等，同一个线程可以多次获得该锁。
- 不可重入锁：例如ReadWriteLock中的读锁，同一个线程不能多次获得该锁。
- 按照锁的公平性分类：
- 公平锁：按照线程请求锁的顺序来获取锁，避免线程饥饿现象。
- 非公平锁：不考虑线程请求锁的顺序，有可能会导致某些线程一直无法获得锁。
- 按照锁的实现方式分类：
- 内置锁：例如synchronized关键字，由Java虚拟机实现，通常与对象关联。
- 显式锁：例如ReentrantLock等，需要程序员手动创建和管理，提供了更加灵活的控制方式。
- 按照锁的功能分类：
- 独占锁：只允许一个线程获得锁，其他线程需要等待。
- 共享锁：允许多个线程同时获得锁，例如ReadWriteLock中的读锁就是共享锁。
不同类型的锁各有优缺点，需要根据具体场景进行选择。例如，对于访问单个对象的情况，可以使用内置锁；对于需要细粒度控制的情况，可以使用ReentrantLock等显式锁；对于需要高并发读写的情况，可以使用ReadWriteLock等读写锁。
公平锁与非公平锁之间的区别
公平锁和非公平锁是Java中锁的两种不同实现方式，它们的主要区别在于线程获取锁的顺序不同：
- 公平锁：按照线程请求锁的顺序来获取锁，即等待时间最长的线程将最先获得锁。当锁释放后，等待时间最长的线程会优先获取锁，避免了某些线程长时间等待的问题，确保了线程的公平性。
- 非公平锁：不考虑线程请求锁的顺序，有可能会导致某些线程一直无法获得锁。当锁释放后，不一定是等待时间最长的线程获得锁，而是竞争最激烈的线程优先获得锁。这种方式可以提高锁的吞吐量，减少线程的上下文切换次数，但是可能会导致某些线程长时间等待。
公平锁和非公平锁的选择取决于具体的应用场景。对于对公平性要求比较高的场景，例如资源分配、任务调度等，应该优先选择公平锁，以避免某些线程一直无法获得锁，造成线程饥饿现象。而对于需要高并发的场景，例如缓存、连接池等，为了提高锁的吞吐量，可以使用非公平锁，以减少线程的上下文切换次数。
需要注意的是，公平锁在竞争激烈的情况下可能会导致线程间的上下文切换过多，降低系统性能。而非公平锁在高并发情况下可能会导致某些线程一直无法获得锁，造成线程饥饿现象。因此，在选择锁的类型时，需要根据具体情况进行综合考虑，权衡各种因素。
CAS（Compare and Swap）
CAS（Compare and Swap）是一种乐观锁技术，用于实现多线程之间的同步操作。它利用CPU底层提供的原子指令来实现无锁操作，从而避免了使用传统锁机制所带来的性能问题。
CAS操作通常包括三个参数：内存位置、期望的值和新的值。当执行CAS操作时，只有当内存位置的值与期望的值相同时，才会将新的值写入内存，并返回true，否则不会进行任何操作，并返回false。
CAS操作的基本流程如下：
- 将内存位置的值与期望的值进行比较。
- 如果相等，则将新的值写入内存位置。
- 如果不相等，则不做任何操作。
在多线程环境中，CAS操作可以用来解决并发访问共享数据时的同步问题。如果多个线程同时尝试更新同一个共享数据，则只有一个线程会成功执行CAS操作，并更新共享数据。其他线程由于CAS操作失败，需要重新获取共享数据并再次尝试执行CAS操作。
使用CAS操作的优点是可以避免传统锁机制所带来的性能问题，因为它不会导致线程的阻塞和切换。另外，CAS操作通常可以实现无锁或轻量级锁的效果，从而提高并发性能。
然而，CAS操作也存在一些缺点。首先，由于CAS操作是基于底层硬件提供的原子指令实现的，因此在高并发场景下，多个线程同时尝试执行CAS操作可能会导致竞争激烈，从而出现CAS自旋等待的情况，这会浪费一些CPU资源。其次，CAS操作只能保证单个变量的原子性，不能保证多个变量之间的原子性。
在Java中，CAS操作通常通过sun.misc.Unsafe类来实现。同时，Java也提供了一些基于CAS操作的原子类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等，这些类都提供了一些常用的原子操作方法，如getAndIncrement()、compareAndSet()等，方便我们进行并发编程。
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于实现锁和同步器的基础框架，其核心思想是使用一个FIFO的双向链表来实现线程的阻塞和唤醒。AQS提供了一些基本的同步操作方法，如获取锁、释放锁、阻塞线程、唤醒线程等，同时也允许用户自定义同步器，并实现自己的同步操作方法。
AQS的设计非常巧妙，其基本思路是将线程的阻塞和唤醒操作交给同步器来管理，而同步器通过维护一个双向链表来管理等待线程，从而实现线程的阻塞和唤醒。具体来说，AQS通过内部类Node来表示等待线程，每个Node包含一个等待状态（waitStatus）和一个指向前一个和后一个Node的引用（prev和next），同时还有一个Thread类型的字段表示持有该Node的线程。当一个线程请求获取锁时，如果锁已经被占用，则该线程会被封装成一个Node并加入等待队列中，并在后续的自旋过程中不断尝试获取锁。当锁的持有者释放锁时，会唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。
AQS提供了两种同步模式：独占模式和共享模式。在独占模式下，同一时刻只能有一个线程持有锁，其他线程必须等待锁的释放。而在共享模式下，多个线程可以同时获取锁，并进行并发访问。
AQS的基本操作方法包括：
- tryAcquire(int arg)：尝试获取锁，如果获取成功则返回true，否则返回false。
- tryRelease(int arg)：释放锁，如果释放成功则返回true，否则返回false。
- tryAcquireShared(int arg)：尝试获取共享锁，如果获取成功则返回一个大于等于0的整数，否则返回一个小于0的整数。
- tryReleaseShared(int arg)：释放共享锁，如果释放成功则返回true，否则返回false。
- isHeldExclusively()：判断当前线程是否持有独占锁。
AQS的实现非常复杂，涉及到许多底层细节，因此不适合直接使用。但是，Java提供了一些基于AQS的同步类，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等，这些类都使用了AQS提供的同步基础框架，可以直接使用，并提供了一些常用的同步操作方法，方便我们进行并发编程。
ReentrantLock
ReentrantLock是Java中的一种独占锁，它是一种可重入锁，也就是同一个线程可以多次获取锁而不会死锁，这种锁可以有效地防止资源的竞争和数据的不一致。
ReentrantLock实现了Lock接口，提供了一些与锁相关的操作方法，包括：
- lock()：获取锁，如果锁已经被占用，则当前线程会阻塞，直到获取到锁。
- tryLock()：尝试获取锁，如果锁未被占用，则立即获取锁并返回true，否则立即返回false。
- tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：尝试获取锁，如果在指定的时间内（以指定的时间单位为准）未能获取到锁，则返回false。
- unlock()：释放锁，如果当前线程持有锁，则释放锁。
ReentrantLock的实现原理比较复杂，它底层基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现了锁的语义，具体来说，它使用一个state变量来表示锁的状态，当state为0时表示锁未被占用，当state为1时表示锁已被占用。当一个线程请求获取锁时，如果锁未被占用，则该线程可以立即获取锁，并将state设置为1；如果锁已经被占用，则该线程会被封装成一个Node并加入等待队列中，并在后续的自旋过程中不断尝试获取锁。当锁的持有者释放锁时，会唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。
ReentrantLock相较于synchronized关键字具有一些优点，包括：
- 可中断性：如果一个线程在等待获取锁的过程中，可以被中断，则该线程将会从等待队列中移除，并抛出InterruptedException异常。
- 公平性：ReentrantLock可以通过构造函数指定锁的公平性，如果指定为公平锁，则锁将按照FIFO的顺序进行获取；如果指定为非公平锁，则锁将根据CPU的调度而获取，可能会存在饥饿线程。
- 条件变量：ReentrantLock提供了Condition接口来实现条件变量，可以让线程在特定条件下等待和唤醒。
总的来说，ReentrantLock是一种高级的同步机制，可以有效地控制并发访问，并提供了比synchronized关键字更多的特性和灵活性。但是，由于它的实现较为复杂，使用时需要谨慎考虑，避免出现死锁等问题。
ReentrantLock是Java中一个可重入锁的实现，它允许线程获取已经持有的锁，同时还能保证锁的互斥性和可见性。下面是一个简单的示例，说明如何使用ReentrantLock。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Example {
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void foo() {
lock.lock();
try {
// 线程安全的代码
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
ReentrantLock是Java中一个可重入锁的实现，它允许线程获取已经持有的锁，同时还能保证锁的互斥性和可见性。下面是一个简单的示例，说明如何使用ReentrantLock。
javaCopy codeimport java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Example {
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void foo() {
lock.lock();
try {
// 线程安全的代码
} finally {
lock.unlock();
}
}
}在这个示例中，我们首先创建了一个ReentrantLock对象，然后在foo方法中使用lock方法获取锁，执行线程安全的代码，最后使用unlock方法释放锁。请注意，我们使用了try-finally语句块来确保在任何情况下都会释放锁。
ReentrantLock还提供了其他方法，如tryLock、tryLock(long timeout, TimeUnit unit)等，它们允许我们在尝试获取锁时设置超时时间。此外，它还提供了一些高级功能，如公平锁、条件变量等，可以根据需要使用。
总的来说，ReentrantLock是Java中一个非常强大的锁实现，可以满足大部分线程同步的需求。
手写实现 ReentrantLock
ReentrantLock是Java中的可重入锁实现类，可以用于替代synchronized实现线程同步。以下是ReentrantLock的简单手写实现，仅供参考。
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class MyReentrantLock implements Lock {
private boolean isLocked = false;
private Thread lockedBy = null;
private int lockCount = 0;
private final Object lock = new Object();
@Override
public void lock() {
synchronized (lock) {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
while (isLocked && lockedBy != currentThread) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
isLocked = true;
lockedBy = currentThread;
lockCount++;
}
}
@Override
public void unlock() {
synchronized (lock) {
if (Thread.currentThread() != lockedBy) {
throw new IllegalMonitorStateException("Calling thread has not locked this lock");
}
lockCount--;
if (lockCount == 0) {
isLocked = false;
lockedBy = null;
lock.notifyAll();
}
}
}
//以下方法暂不实现
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
throw new UnsupportedOperationException("Not supported yet.");
}
@Override
public boolean tryLock() {
throw new UnsupportedOperationException("Not supported yet.");
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
throw new UnsupportedOperationException("Not supported yet.");
}
@Override
public Condition newCondition() {
throw new UnsupportedOperationException("Not supported yet.");
}
}
需要注意的是，上述代码是一个简单的可重入锁的实现，可能存在性能和安全方面的问题，仅适用于学习和理解ReentrantLock的原理。在实际应用中，应该使用Java中提供的ReentrantLock实现类。
Semaphore
Semaphore是一种计数信号量，它可以用来控制同时访问某个资源的线程数，或者限制流量的大小。
Semaphore主要有两个操作：acquire()和release()。acquire()操作会尝试获取一个许可证，如果当前有许可证可用，则获取成功并立即返回；如果没有许可证可用，则当前线程会被阻塞，直到有许可证可用。release()操作会释放一个许可证，并通知等待的线程有许可证可用。
Semaphore可以被用于解决多线程并发问题，例如限制并发访问某个资源的线程数。下面是一个简单的例子，假设有一个容器类Container，其中有一个put()方法用于往容器中添加元素，一个get()方法用于从容器中获取元素，但是容器中最多只能存放5个元素，当容器中元素个数超过5个时，新添加的元素需要等待容器中的元素被消费才能继续添加。
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Container {
private final Semaphore mutex = new Semaphore(1);
private final Semaphore full = new Semaphore(0);
private final Semaphore empty = new Semaphore(5);
private final Object[] elements = new Object[5];
private int putIndex = 0, getIndex = 0, count = 0;
public void put(Object element) throws InterruptedException {
empty.acquire();
mutex.acquire();
try {
elements[putIndex] = element;
putIndex = (putIndex + 1) % 5;
count++;
} finally {
mutex.release();
full.release();
}
}
public Object get() throws InterruptedException {
full.acquire();
mutex.acquire();
try {
Object element = elements[getIndex];
elements[getIndex] = null;
getIndex = (getIndex + 1) % 5;
count--;
return element;
} finally {
mutex.release();
empty.release();
}
}
}
在上面的例子中，容器类中维护了3个Semaphore对象：mutex用于保证对容器的操作互斥进行，full用于表示容器中元素个数不为0，empty用于表示容器中还可以添加的元素个数
CountDownLatch
CountDownLatch是Java并发包中的一个类，它可以用于实现线程间的协作和同步。它可以让一个或多个线程等待其他线程完成某些操作，然后再继续执行。下面对CountDownLatch进行深入讲解。
构造方法
CountDownLatch有一个构造方法，需要传入一个int类型的参数count，表示需要等待的操作数量。当CountDownLatch的计数器变为0时，等待该CountDownLatch的线程才会被唤醒。示例代码如下：
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);上面的代码表示需要等待3个操作完成后，CountDownLatch的计数器才会变为0。
方法介绍
CountDownLatch提供了如下几个方法：
- void countDown()：将CountDownLatch的计数器减1。
- void await()：等待计数器变为0，如果当前计数器为0，则该方法立即返回。
- boolean await(long timeout, TimeUnit unit)：等待计数器变为0，如果超过指定时间，则该方法会返回false，否则返回true。
- long getCount()：获取当前计数器的值。
使用示例
下面是一个使用CountDownLatch的示例。该示例中有三个线程，它们都需要执行某些操作后才能继续执行。我们可以使用CountDownLatch来实现这个需求。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class Example {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
Thread thread1 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 1 is working...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 1 is done.");
latch.countDown();
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 2 is working...");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 2 is done.");
latch.countDown();
});
Thread thread3 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 3 is working...");
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 3 is done.");
latch.countDown();
});
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
latch.await();
System.out.println("All threads are done.");
}
}
在上面的示例中，我们创建了一个CountDownLatch对象，计数器的值为3。然后创建了三个线程，每个线程都需要执行一些操作后才能调用CountDownLatch的countDown方法，将计数器减1。最后，主线程调用CountDownLatch的await方法等待计数器变为0，然后输出"All threads are done."。
运行上面的示例，可以看到如下输出：
Thread 1 is working...
Thread 3 is working...
Thread 2 is working...
Thread 1 is done.
Thread 2 is done.
Thread 3 is done.
All threads
CyclicBarrier
CyclicBarrier是Java并发包中的一个类，用于实现多个线程之间的同步。CyclicBarrier可以让多个线程在一个集合点处进行等待，当所有线程都到达集合点后，再一起继续执行。下面对CyclicBarrier进行深入讲解。
构造方法
CyclicBarrier有两个构造方法，分别是：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);
public CyclicBarrier(int parties);
第一个构造方法需要传入一个int类型的参数parties，表示需要等待的线程数量，以及一个Runnable类型的barrierAction，表示所有线程到达集合点后需要执行的操作。第二个构造方法只需要传入一个int类型的参数parties，表示需要等待的线程数量。
方法介绍
CyclicBarrier提供了如下几个方法：
- int await()：当前线程到达集合点，等待其他线程到达，当所有线程都到达集合点时，返回一个唯一的整数，表示当前线程是第几个到达集合点的线程。
- int await(long timeout, TimeUnit unit)：等待指定时间后，如果当前线程还没有到达集合点，则会抛出TimeoutException异常。
- int getParties()：获取需要等待的线程数量。
- int getNumberWaiting()：获取已经到达集合点但还在等待的线程数量。
- boolean isBroken()：获取所有线程是否都已经到达集合点，如果有任意一个线程抛出异常，则返回true。
使用示例
下面是一个使用CyclicBarrier的示例。该示例中有三个线程，每个线程都需要执行一些操作后才能调用CyclicBarrier的await方法，等待其他线程到达集合点。当所有线程都到达集合点后，输出"All threads are done."。
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Example {
public static void main(String[] args) {
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
System.out.println("All threads are arrived.");
});
Thread thread1 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 1 is working...");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 1 is done.");
try {
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 2 is working...");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 2 is done.");
try {
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread thread3 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 3 is working...");
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread 3 is done.");
try {
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
}
}运行上述示例，输出结果如下：
Thread 1 is working...
Thread 2 is working...
Thread 3 is working...
Thread 1 is done.
Thread 2 is done.
Thread 3 is done.
All threads are arrived.可以看到，三个线程都到达了集合点，才会执行CyclicBarrier的barrierAction，并输出"All threads are arrived."。
另外，需要注意的是，CyclicBarrier可以被重用，即在所有线程到达集合点后，可以继续使用CyclicBarrier进行同步等待。但是，需要保证所有线程已经执行完当前任务，否则可能会出现死锁情况。
请先 后发表评论～