Java 并发锁

1. 简介

作用：锁提供对共享资源的独占访问，用来保证线程同步

2. 锁的分类

2.1 乐观锁与悲观锁

悲观锁：在数据被处理前先对数据进行加锁（排它锁）
应用场景：
悲观锁适用于写多读少的场景
乐观锁适用于读多写少的场景（若失败，应该加上重试）

2.2 公平锁与非公平锁

根据线程获取锁的抢占机制，锁可以分为公平锁和非公平锁

示例：
synchronized 只支持非公平锁
ReentrantLock 默认非公平锁，可设置公平锁

@Test
public void reentrantLock() {
    ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);
    
    ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock();
    ReentrantLock nonFairLock2 = new ReentrantLock(false);
}

2.3 独占锁与共享锁

• 根据锁只能被单个线程持有还是能被多个线程共同持有，锁可以分为独占锁和共享锁
• 独占锁是悲观锁

示例：
ReentrantLock 属于独占锁
ReentrantReadWriteLock 属于共享锁

扩展：
互斥锁是独占锁的一种实现
读写锁是共享锁的一种实现。读写锁管理一组锁，一个是只读的锁，一个是写锁

2.4 可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指同一个线程在外层方法获取了锁，在进入内层方法会自动获取锁
示例：ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁

可重入锁分两种：

• Synchronized 隐式锁
• Lock 显示锁

2.5 自旋锁

指线程在没有获得锁时不是被直接挂起，而是自旋（多次尝试获取）

设计自旋锁的原因：
线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态
当一个线程在获取锁（比如独占锁）失败后，会被切换到内核状态而被挂起。当该线程获取到锁时又需要将其切换到内核状态而唤醒该线程

2.6 轻量级锁、重量级锁与偏向锁

JDK1.6 前，synchronized 关键字只表示重量级锁
JDK1.6 后，针对 synchronized 做了大量优化，引入 4 种锁状态
锁升级：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

偏向锁是等到竞争出现才释放锁，即当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，可降低获取锁的代价

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗
轻量级锁	无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争		追求响应时间,锁占用时间很短
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间慢（有实际竞争，且锁竞争时间长）	追求吞吐量,锁占用时间较长

3. 锁（Lock）

• Lock 是个接口，使用的是其实现类
• lock() 上锁， unlock() 释放锁

/**
 * Lock l = ...; 
 * l.lock();
 * try {
 *   // access the resource protected by this lock
 * } finally {
 *   l.unlock();
 * }
 */
public interface Lock {
    void lock();
    boolean tryLock();
    void unlock();
}

3.1 重入锁（ReentrantLock）

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {

}

3.2 读写锁（ReentrantReadWriteLock）

• 支持一写多读，读写分离，可分别分配读锁、写锁
• 互斥规则
  • 写-写：互斥、阻塞
  • 读-写：互斥，读阻塞写、写阻塞读
  • 读-读：不互斥、不阻塞
• 适用于读多写少的操作

/**
 *   private final Map<String, Data> m = new TreeMap<String, Data>();
 *   private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 *   private final Lock r = rwl.readLock();
 *   private final Lock w = rwl.writeLock();
*/
public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {

}

4. 其他：Java 多线程解决线程安全问题的方式

方式一：Synchronized

• 同步代码块
• 同步方法

方式二：同步锁 Lock