【JavaEE进阶】锁策略, 和 synchronized 优化过程

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1.常见的锁策略

锁策略和普通程序员基本没有啥关系，和“实现锁” 的人，才有关系，这里所提到的锁策略，和 Java本身就没有关系，适合所有的和“锁”相关的情况

1.1 悲观锁 vs 乐观锁

• 悲观锁： 预期锁冲突概率比较高。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这个数据，所以每次在拿到数据之后就会上锁，这样别人想拿到这个数据就会阻塞等待，直到上面的这个锁被释放之后，才能拿到这个锁。
• 乐观锁： 预期锁冲突概率很低。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，才会真的对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发生冲突，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做

这里举一个例子：

就还是拿疫情说吧(我们知道在疫情的时候，吃的米面油很难买到)，这里的乐观锁就好比说，因为我们是很乐观的，所以说，如果下次疫情即使来了，但是我们需要的菜应该还是能买到的(根据前两拨疫情的经验)，就不必专门做特殊的准备。做的工作更少，付出的成本更低，更低效。

悲观锁认为，下一波疫情来了之后，可能就买不到菜了，于是换一个大的冰箱，去超市定期屯一些米面油等生活用品。所以要做的事情有很多，付出跟多的成本和代价.做的工作更多，付出的成本更多，更低效

1.2 读写锁 vs 普通的互斥锁

• 普通的互斥锁： 对于普通的互斥锁，只有两个操作：加锁和解锁。只有两个线程针对同一个对象加锁，就会产生锁竞争(互斥)。
• 读写锁： 对于读写锁来说，分为三个操作，加读锁，加写锁，解锁- 加读锁：如果代码只是进行读操作，就加读锁。- 加写锁：如果代码中进行了修改操作，就加写锁。

对于读锁和读锁之间，是不存在互斥关系的，因为多线程同时读取同一个变量不会有线程安全问题。

读锁和写锁之间，写锁和写锁之间，才会互斥。

而且在很多场景中，都是读操作多，写操作少。

读写锁就是把读操作和写操作区分对待，Java标准课中提供了

ReentrantReadQriteLock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。
• ReentrantReadWirteLock.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

注意，只要是设计到"互斥"，就会产生线程的挂起等待，一旦线程挂起等待，在此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。

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

比如就那一个“教务管理系统”来说，每次老师上课点名都要使用教务系统点名，点名就需要查看班级同学列表(读操作)，这个操作可能要每周执行好多次。

但是什么时候会修改同学的列表信息呢(写操作)，那就是新同学加入的时候，可能一个月都不必改一次。再比如，同学梦使用的教务管理系统查看作业(读操作)，一个班级的同学很多，读操作一点就要进行几十多次，或者上百次，但是这一节课，老师布置作业(写操作)就一次。

1.3 重量级锁 vs 轻量级锁

这两个锁，和上面的悲观锁和乐观锁有一定的重叠。

• 重量级锁：就是做了更多的事情，开销更大 它的加锁机制重度依赖了OS 提供的 mutex,大量的内核态用户态切换，很容易引发线程调度。
• 轻量级锁：做的事情更少，开销更小 它的加锁机制尽可能不使用mutex,而是尽量使用用户态代码来完成，实在不行，再使用mutex.有少量的用户态内核态切换，不容易引起线程调度。
• 这两种锁都是处理锁冲突的一种结果。

也可以认为，在通常情况下，悲观锁都是重量级锁，乐观锁一般都是轻量级锁，但是不是绝对的。

在我们使用的锁中，如果锁是基于内核的一些功能来实现的(比如调用了操作系统提供的 mutex 接口)此时一般认为是重量级锁。(操作系统的锁会在内核中做很多的事情，比如让线程阻塞等待…)

如果锁是纯用户态实现的，此时一般认为这是轻量级锁(用户态的代码更可控，也更加高效

如果想知道 用户态和内核态更仔细的描述，请看博主的上一篇博客。

在这里博主在重申一下，

悲观锁和乐观锁是造成重量级锁和轻量级锁的原因，重量级锁和轻量级锁是原因造成的结果。

1.4 挂起等待锁 vs 自旋锁

挂起等待锁： 往往就是通过内核的一些机制来实现的，往往比较重，是重量级锁的一种典型实现

自旋锁： 往往就是通过用户态的代码来实现的，往往较轻，是轻量级锁的一种典型实现

解析自旋锁： 按照我们之前的方式，线程在锁竞争，抢锁失败之后就会进入带阻塞队列，放弃CPU,需要过很久的时间才能被再次唤醒，调度这个线程。但是实际上，大部分情况下，虽然挡墙线程抢锁失败，但过不了多久，锁就会被释放。没有必要放弃CPU,这个时候就可以使用自旋锁
来处理这样的问题。

自旋锁的伪代码：

while(抢锁(lock) == 失败){}

如果获取锁失败，立即再次尝试获取锁，无限循环，直到获取到锁位置，第一次获取锁失败之后，第二次的尝试会在极端的时间内到来。一旦锁被释放，就崩在第一时间获得到锁。

详细的理解挂起等待锁和自旋锁

自旋锁的优缺点：

• 优点： 没有放弃CPU，不涉及到线程阻塞和调度，一旦锁被释放，那么就能在第一时间获取到这个锁。
• 缺点： 如果这个锁被其他线程持有的时间比较长，那么此时如果再使用自旋锁，就会持续的消耗CPU的资源(挂起等待锁，在锁竞争之后，如果没有抢到锁，那么这个线程就会进入到阻塞状态，不消耗CPU资源)

小结

此处我们小结一下，在上面介绍的众多锁中除了读写锁和普通的互斥锁之外，我们可以看到悲观锁和乐观锁，重量级锁和轻量级锁，挂起等待锁和自旋锁之间都有这千丝万缕的联系。重量级锁和轻量级锁是悲观锁和乐观锁造成的结果，挂起等待锁和自旋锁是重量级锁和轻量级锁的一种典型实现。

1.5 公平锁 vs 非公平锁

实现"公平锁"和"非公平锁"这两个概念特别容易搞混!!!

公平锁：

多个线程在等待一把锁的时候，谁先来的，谁就能先获取到这把锁(遵循先来后到)

非公平锁：

多个线程在等待一把锁的时候，不遵循先来后到(每个等待的线程获取到的概率都是均等的)

可能会有些老铁觉得，机会是均等的，才是公平的，但是不然，我们在这里说的公平是针对是否约定遵循了先来后到的规则。

对于操作系统来说，本身线程之间的调度就是随机的(机会均等的)，操作系统中提供的mutex这个锁，就是一个非公平锁

我们有些老铁可能会想到，在操作系统中是不是线程之间存在优先级，那么为什么这个操作系统中的mutex这个锁，还是一个非公平锁呢？

其实考虑到相同优先级的情况下，实际开发中很少会手动修改线程的优先级，即使改了，在宏观上的体会并不明显。

要想实现一个公平锁，反而要付出更多的代价(得需要一个队列，来把这些参与竞争的线程给排一下，先来后到的顺序)

这里举一个例子，理解公平锁和非公平锁

注意：

• 操作次你同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，来记录线程的先后顺序。
• 公平锁和非公平锁没有好坏之分，关键还是看适用的场景

1.6 可重入锁 vs 不可重入锁

可重入锁和不可重入锁，博主在以前的文章中介绍过，这里就简单在描述一下。

可重入锁的字面意思就是"可以重新进入的锁"，即允许同一个线程多次获得同一把锁

Java中只要以Reentrant 开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有线程的Lock实现的类，包括synchronized关键字都是可重入锁。

1.7 关于锁策略的相关面试题

1.你是怎么理解乐观锁和悲观锁的，具体怎么实现的呢？

悲观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率较大，会在每次访问共享变量之前去真正的加锁。

乐观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突概率不带，并不会真的加锁，而是直接尝试访问数据，在访问的同事识别当前的数据是否出现了访问冲突。

悲观锁的实现就是先加锁(比如借助操作系统提供的mutex)，获取到所在操作数据，获取不到锁就等待。

乐观锁实现可以引入一个版本号。借助版本号识别当前的数据是否冲突

2.介绍一下读写锁？

读写锁就是把读操作和写操作分开进行加锁。

读锁和读锁之间不互斥。

写锁和读锁之间，写锁和写锁之间互斥。

读写锁最主要用在"频繁读，不频繁写"的场景中

3.什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略，缺点是什么？

如果获取锁失败，立即在尝试获取锁，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。

相比于挂起等待锁，

优点：没有放弃CPU资源，一旦锁被释放就会在第一时间获取到这个锁，更有效，在锁持有之间比较短的场景中非常有用。

缺点： 如果锁持有的时间教程，就会浪费CPU资源

4.synchronized 是可重入锁吗？

是可重入锁。可重入锁指的是连续两次加锁不会产生死锁。

实现的方式是，在锁中记录该所持有的线程身份，以及一个计数器(记录加锁的次数)，如果发现当前加锁的线程是持有锁的线程，则直接计数自增。

2. synchronized 是一个怎么样的锁？

• 既是一个乐观锁，也是一个悲观锁(根据锁竞争的激烈程度，自适应)
• 不是读写锁，只是一个普通的互斥锁
• 既是一个轻量级锁，也是一个重量级锁(根据锁竞争的激烈程度，自适应)
• 轻量级锁的部分是基于自旋锁实现的，重量级锁的部分是基于挂起等待锁实现的
• synchronized 是一个非公平锁
• synchronized 是一个可重入锁

3. CAS(compare and swap[比较和交换])

CAS(compare and swap):字面意思是比较和交换。

它要做的是就是 拿着 寄存器/某个内存中的值 和 另外一个内存中的值 进行比较，如果值相等，那么就把另外一个寄存器/内存中的值，和当前的这个内存中的值做交换

我们假设当前内存中的原数据V，旧的预期值为A，需要修改的新值为B

• 比较A和V是否相等(比较)
• 如果比较相等，将B写入V(交换)
• 返回操作是否成功

使用伪代码辅助理解CAS的工作流程：

在上述的尾代码中，"交换"也可以理解成为赋值，我们可以看看这段代码是不是线程安全的？

这段代码，显然是线程不安全的，即有读又有写，而且读和写还不是原子的

两个典型的不是"原子性"的代码：

• check and set (if判定后设定值)上面的CAS伪代码就是这种形式
• read and update(i++) 之前我们将线程安全的时候的代码是这种形式的 i++有三种操作

此处所谓的CAS 指的是CPU提供的一个单独的CAS指令，通过这一条指令，就完成上述伪代码描述的过程。

那么如果上述的过程都是这"一条指令"就干完了，就相当于这是原子的了

(CPU上面执行的指令就是一条一条执行的，指令已经是不可分割的最小单位)，

那么此时的线程就安全了

。

CAS 最大的意义： 就是让我们写的这种多线成安全的代码，提供一个新的思路和方向。

3.1 CAS 都能干啥？能如何帮我们解决一些线程安全问题？

3.1.1 基于 CAS 能够实现"原子类"

Java标准库中提供了一组原子类，针对锁常用的一些int,long,array.....进行了封装，可以基于CAS的方法来进行修改，并且线程安全

publicclassTestDemo2{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException{//使用原子类，并且是线程安全的AtomicInteger a =newAtomicInteger();Thread t1 =newThread(()->{for(int i =0;i<5000;i++){//相当于a++
                a.getAndIncrement();//相当于++a//a.incrementAndGet();//相当于a++//a.getAndIncrement();//相当于a--//a.getAndDecrement();//相当于--//a.decrementAndGet();//相当于a+=10//a.getAndAdd(10);}});Thread t2 =newThread(()->{for(int i =0;i<5000;i++){
               a.getAndIncrement();}});
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();//得到a的值System.out.println(a.get());}}//运行结果：10000//显而易见，这个代码不存在线程安全问题，基于CAS实现的++操作，这里面就可以保证技能公线程安全，又能够比synchronized高效，因为synchronized 会涉及到锁的竞争，两个线程要相互等待。然而CAS不涉及到线程阻塞等待。//也就是说着两个线程，双管齐下，两个线程之间没有相互影响

在CAS中AtomicInteger类的具体实现

那么为什么上面的++操作是线程安全的呢？

3.1.2 基于CAS 能够实现"自旋锁"

自旋锁伪代码

3.2 如何理解CAS中的ABA问题？

我们知道CAS中的关键在于 先比较，再交换，比较：其实是在比较 当前值 和 旧值 是否相等，如果这两个值相等，那么就视为中间没有发生过改变。

但是这里的结论存在漏洞，当前值 和 旧值 相同可能是中间确实没有改变过，也可能改变过了，但是有变回来了 这样的漏洞，在大多数情况下，其实没有什么影响，但是在极端情况下会引起bug

这里的ABA问题，就好比，我今天要买一个手机，我拿到的这个手机，我无法区别出来，它是一个新机还是一个翻新机。

新机：从出厂到现在一直没有使用过。

翻新机：出场之后已经被买给别人了，已经被别人用了一段时间，旧了，但是被回收回来，换个壳，被当做新手机来卖。

虽然我拿到的可能是一个翻新机，翻新机在大多数情况下，也是能用的，但是少数情况下还是可能会翻车。

举一个例子：

解决CAS中的ABA问题：

引入一个“版本号”,这个版本号只能能变大，不能变小，修改变量的时候，比较就不是比较变量本身了，而是比较版本号。

• 这种基于版本号的方式进行多线程数据的控制，也是一种乐观锁的典型实现。
• 版本管理工具(SVN)通过版本号来进行多人开发的协同。
• 在数据库中应用。在数据库里面，并发的去通过事务来访问表的时候，这也会涉及到类似加锁的一些多线程操作

3.3 CAS的相关面试题

讲解一下你是怎样理解CAS机制的

CAS(Compare and swap) 即“比较并交换”，向当于通过一个原子的操作，同时完成了“读取内存，比较是否相等，修改内存”这三个步骤，本质上需要CPU指令的制成

ABA问题怎样解决

给要修改的数据引入一个版本号，在CAS比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版号是否符合预期。如果发现当前版本号和之前读到的版本号是一致的，就真的执行修改操作，并让版本号自增，如果发现当前版本号和之前的版本号大，就认为操作失败

4. synchronized 中的锁优机制

在这里我们针对的是JDK1.8,所说的锁优化机制，当然JDK的版本非常多，在这些版本变迁的过程中，很多地方都有了不少的变化，在这里JDK1.8对应的是JAVA8.

• 从Java8以后，Java就变成半年发一次版本了。
• 在企业中应用最多了，仍然是Java8 以及 Java11
• Java中的版本，有的是"稳定版"(长期支持的)，企业升级JDK版本是一件费力不讨好的事情，升级JDK收益，微乎其微，但是新的版本，是否可能存在BUG呢？非诚有可能的，一旦因为BUG导致公司的产品收到影响，那么相关长许愿的年终奖可能就没了。

4.1 锁膨胀

这里的锁膨胀/锁升级：体现了synchronized能够“自适应”这种能力

轻量级锁

随着其他线程进入锁竞争，偏向锁状态被取消，进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁)

此处的轻量级锁就是通过CAS来实现的。

自旋操作是一直让CPU空转，比较浪费CPU资源

因此此处的自旋不会一直持续进行，而是达到一定的时间/重试次数，就不再自旋了，也就是所谓的”自适应“

重量级锁

如果竞争进一步激烈，自旋不能快速获取到锁的状态，就会膨胀为重量级锁。

此处的重量级锁就是值用到内核提供的mutex.

• 执行加锁操作，先进入内核态
• 在内内和态判定当前锁是否已经被占用
• 如果该锁没有被占用，则加锁成功，并切换会用户态
• 如果该所被占用，则加锁失败，此时线程进入锁的等待队列，挂起等待被操作系统唤醒
• 经历了一系列的沧海桑田，这个锁被其他的线程释放了，操作系统就想起了这个挂起的线程，于是唤醒这个线程，尝试重新获得锁。

4.2 锁粗化

锁粗化对应着的是锁细化

这里的粗细指的是"锁的粒度"，加锁代码时涉及的范围，加锁代码的范围越大，任务锁的粒度越粗，范围越小，则认为粒度越细。

4.3 锁消除

编译器+JVM判断锁是否可消除，如果可以，就直接消除

什么是锁消除？

有些程序的代码中，用到了synchronized，但是其实没有在多线程的环境下。例如StringBuffer.我们知道在StringBuffer类的源码中，是用synchronized修饰的，是线程安全的，它适合在多线程的环境下使用。

StringBuffer sb =newStringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("a");
sb.append("a");
sb.append("a");

此时每次append()的调用都会涉及到加锁和解锁，但是如果在单线程的环境下使用这个代码，那么那么就会大材小用，同时还会降低代码的执行效率，这些加锁解锁操作是没有必要的，白白浪费一些资源开销。