多线程锁的分类学习

作者: 不加糖的开水 | 来源:发表于2022-02-07 00:06 被阅读0次

1. 公平锁和非公平锁

定义：
- 公平锁：多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，按照FIFO规则从等待队列中拿到等待线程获取相应锁
- 非公平锁：多个线程并不是按照申请锁的顺序来获取锁，有可能出现后申请锁的线程先申请到锁。在高
  并发环境下，非公平锁有可能造成优先级反转或者饥饿的现象。如果非公平锁抢占失败，就要继续采取类似公平锁的机制。非公平锁的优点在于吞吐量大。
常见的非公平锁：
- ReentrantLock可以通过指定构造函数的boolean类型来获取公平/非公平锁，默认情况下是非公平锁
- 对于Synchronized而言，也是一种非公平锁

2 可重入锁（递归锁）

定义：可重入锁的定义要类比递归的定义来理解。指在同一个线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能够获取该锁的代码，
即进入内层函数时会自动获取锁。也就是说，线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步的代码块。一个同步方法内部仍然存在一个同步方法，那么可以进入内层同步方法，且内存同步方法和外层同步方法持有的是同一把锁。

具体看一个案例来理解可重入锁：synchronized就是可重入锁，现在问题是synchronized块中能够使用System.out.println()方法？

public void println(String x) {
    // println方法内部使用了synchronized
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

/**
 * 演示可重入锁
 *
 * @author sherman
 */
public class LockReentrantDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 程序正常运行输出：hello
        new LockReentrantDemo1().lockReentrant();
    }

    public synchronized void lockReentrant() {
        /**
         * 注意这个println方法内部就使用了synchronized关键字，锁住了this
         * 即synchronized块中仍然能够使用synchronized关键字 -> 可重入的
         */
        System.out.println("hello");
    }
}

可重入锁的意义有一点类似于事务的传播行为（一个方法运行在另一个开启事务的方法中，那么当前方法的事务行为是什么样的？），类比来说可重入锁意义就是：一个synchronized（锁）块运行在另一个synchronized（块）中，那么当前synchronized的具体表现行为是什么，是直接中断？还是阻塞等待？又或者是正常执行，因为两个synchronized锁住的是同一个对象？

可重入锁的含义就是最后一种：正常执行，因为可重入锁，锁的是同一个对象。

典型的可重入锁：ReentrantLock & synchronized关键字
作用：最大作用就是防止死锁，因为多层嵌套的锁，其实锁的是同一个对象，另一个含义就是：嵌套方法持有的是同一把锁

具体示例：

/**
 * 可重入锁演示
 *
 * @author sherman
 */
// 演示ReentrantLock是可重入的
class ShareResouce implements Runnable {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

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

    private void get() {
        lock.lock();
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": get()");
            set();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private void set() {
        lock.lock();
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": set()");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class LockReentrantDemo2 {
    // outer()和inner()方法演示synchronized是可重入的
    private synchronized void outer() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": outer method()");
        inner();
    }

    // outer()和inner()方法演示synchronized是可重入的
    private synchronized void inner() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": inner method()");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 验证synchronized是可重入的
        LockReentrantDemo2 lrd = new LockReentrantDemo2();
        new Thread(lrd::outer, "thread-1").start();
        new Thread(lrd::outer, "thread-2").start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 验证ReentrantLock是可重入的
        System.out.println("===================");
        new Thread(new ShareResouce(), "thread-3").start();
        new Thread(new ShareResouce(), "thread-4").start();
    }
}

补充：

在使用ReentrantLock类演示可重入锁时，lock.lock()和lock.unlock()数量一定要匹配，否则：

当lock.lock()数量 > lock.unlock()：程序一直运行
当lock.lock()数量 < lock.unlock()：抛出java.lang.IllegalMonitorStateException异常

3 自旋锁（SpinLock）

自旋锁尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是避免线程上下文切换的消耗，缺点是如果一直自旋会消耗CPU：

/**
 * 自旋锁演示
 *
 * @author sherman
 */
public class LockSpin {
    AtomicReference<Thread> ar = new AtomicReference<>();

    private void lock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(thread.getName() + ": come in!");
        while (!ar.compareAndSet(null, thread)) {

        }
    }

    private void unlock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        ar.compareAndSet(thread, null);
        System.out.println(thread.getName() + ": get out!");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LockSpin lockSpin = new LockSpin();
        new Thread(() -> {
            lockSpin.lock();
            try {
                Thread.sleep(8000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            lockSpin.unlock();
        }, "线程A").start();

        // 保证线程A先进行获取到锁，让线程B之后自旋
        Thread.sleep(1000);

        new Thread(() -> {
            lockSpin.lock();
            lockSpin.unlock();
        }, "线程B").start();
    }
}

4 读写锁

写锁（独占锁）：指该锁一次只能被一个线程所持有，ReentrantLock和Synchronized都是独占锁
读锁（共享锁）：指该锁可以被多个线程所持有
读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写、写读、写写的过程都是互斥的

/**
- 演示读写锁
- @author sherman
  */
  class Cache {
  private volatile HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();
  private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
  
  public Object get(String key) {
  lock.readLock().lock();
  Object res = null;
  try {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在读取+++");
  Thread.sleep(100);
  res = map.get(key);
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 读取完成---");
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  lock.readLock().unlock();
  }
  return res;
  }
  
  public void put(String key, Object value) {
  lock.writeLock().lock();
  try {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 正在写入>>>");
  Thread.sleep(1000);
  map.put(key, value);
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：写入完成<<<");
  } catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
  } finally {
  lock.writeLock().unlock();
  }
  }
  }
public class LockReadWrite {
public static void main(String[] args) {
Cache cache = new Cache();
```
    // 写入操作是被一个线程独占的，一旦写线程开始
    // 其它线程必须等待其完成后才能继续执行
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        final int tmp = i;
        new Thread(() -> cache.put(tmp + "", tmp + ""), String.valueOf(i)).start();
    }

    // 读操作可以被多个线程持有
    // 其它线程不必等待当前读操作完成才操作
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        final int tmp = i;
        new Thread(() -> cache.get(tmp + ""), String.valueOf(i)).start();
    }
}
```
}

5 CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器闭锁，它通过一个初始化定时器latch，在latch的值被减到0之前，其它线程都会被await()方法阻塞。

以模拟火箭发射过程解释CountDownLatch使用：

/**
 * CountDownLatch模拟火箭发射过程：
 * 火箭发射之前需要十个线程进行前期检查工作，每个线程耗时0-4s，
 * 只有10个线程对应的检查工作全部完成后，火箭才能发射
 *
 * @author sherman
 */

public class CountDownLatchDemo implements Runnable {
    public static final int TASK_NUMBERS = 10;
    private static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(TASK_NUMBERS);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatchDemo countDownLatchDemo = new CountDownLatchDemo();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(countDownLatchDemo);
        }
        cdl.await();
        System.out.println("检查工作检查完毕：fire!");
        executorService.shutdown();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 模拟火箭发射前的各种检查工作
            int millis = new Random().nextInt(5000);
            Thread.sleep(millis);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：检查完毕! 耗时：" + millis + "ms");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 每次检查完毕后都将计数器减1
            cdl.countDown();
        }
    }
}

6 CyclicBarrier

CyclicBarrier是可循环使用的屏障，它的功能是：让一组线程到达一个屏障（同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会被打开，所有被屏障阻塞的方法都会被打开。

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a **common

barrier point**. CyclicBarriers are useful in programs involving a fixed sized party of threads that

must occasionally wait for each other. The barrier is called cyclic because it can be re-used

after the waiting threads are released.

示例：模拟集齐七颗龙珠才能召唤神龙：

/**
 * CyclicBarrier模拟集齐七颗龙珠才能召唤神龙
 * 设置common barrier point为7，每个线程收集到七颗龙珠之前都会被阻塞
 * 每个线程都到达common barrier point时候才会召唤神龙
 *
 * @author sherman
 */
public class CyclicBarrierDemo implements Runnable {
    private static CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(7, () -> System.out.println("召唤神龙"));

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 到达同步点（收集到一个龙珠）!");
            cb.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 阻塞结束，继续执行!");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierDemo cbd = new CyclicBarrierDemo();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(7);
        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(2000));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            executorService.submit(cbd);
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

7 Semaphore

Semaphore信号量主要有两个目的：

用于多个共享资源的互斥使用；
用于并发数量的控制（是synchronized的加强版，当并发数量为1时就退化成synchronized）；

主要方法：

Semaphore(int permits)：构造函数，允许控制的并发数量；
acquire()：请求一个信号量，导致信号量的数量减1；
release()：释放一个信号量，信号量加1；

示例：使用Semaphore模拟请车位过程（3个车位，10辆车）：

/**
 * 使用Semaphore模拟抢车位过程（3个车位，10辆车）
 * 任意时刻只有3辆车持有线程
 *
 * @author sherman
 */
public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟三个车位，十辆车
        // 任意时刻只有三辆车持有车位
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 抢到车位");
                    // 每辆车占有车位[3,8]秒时间
                    Thread.sleep((new Random().nextInt(6) + 3) * 1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 释放车位");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release();
                }
            }).start();
        }
    }
}

多线程锁的分类学习

1. 公平锁和非公平锁

2 可重入锁（递归锁）

3 自旋锁（SpinLock）

4 读写锁

5 CountDownLatch

6 CyclicBarrier

7 Semaphore

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