Java多執行緒-鎖的區別與使用

阿墩 發表於 2021-01-15

鎖型別

可中斷鎖

  • 在等待獲取鎖過程中可中斷
  • Lock就是可中斷鎖

公平鎖/非公平鎖

  • 公平鎖是指多個執行緒按照申請鎖的順序來獲取鎖。
  • 非公平鎖是指多個執行緒獲取鎖的順序並不是按照申請鎖的順序,有可能後申請的執行緒比先申請的執行緒優先獲取鎖。有可能,會造成優先順序反轉或者飢餓現象。
  • 對於ReentrantLock而言,通過建構函式指定該鎖是否是公平鎖,預設是非公平鎖。非公平鎖的優點在於吞吐量比公平鎖大。
  • 對於Synchronized而言,也是一種非公平鎖。由於其並不像ReentrantLock是通過AQS的來實現執行緒排程,所以並沒有任何辦法使其變成公平鎖。

可重入鎖

  • 可重入鎖又名遞迴鎖,是指在同一個執行緒在外層方法獲取鎖的時候,在進入內層方法會自動獲取鎖。
  • 對於Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個可重入鎖,其名字是Re entrant Lock重新進入鎖。
  • 對於Synchronized而言,也是一個可重入鎖。可重入鎖的一個好處是可一定程度避免死鎖。
synchronized void setA() throws Exception{
 
    Thread.sleep(1000);
 
    setB();
 
}
 
synchronized void setB() throws Exception{
 
    Thread.sleep(1000);
 
}

獨享鎖/共享鎖

  • 獨享鎖是指該鎖一次只能被一個執行緒所持有。
  • 共享鎖是指該鎖可被多個執行緒所持有。
  • 對於Java ReentrantLock而言,其是獨享鎖。但是對於Lock的另一個實現類ReadWriteLock,其讀鎖是共享鎖,其寫鎖是獨享鎖。
  • 讀鎖的共享鎖可保證併發讀是非常高效的,讀寫,寫讀 ,寫寫的過程是互斥的。
  • 獨享鎖與共享鎖也是通過AQS來實現的,通過實現不同的方法,來實現獨享或者共享。
  • Synchronized是獨享鎖。

互斥鎖/讀寫鎖

  • 上面講的獨享鎖/共享鎖就是一種廣義的說法,互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實現。
  • 互斥鎖在Java中的具體實現就是ReentrantLock
  • 讀寫鎖在Java中的具體實現就是ReadWriteLock

樂觀鎖/悲觀鎖

  • 樂觀鎖與悲觀鎖不是指具體的什麼型別的鎖,而是指看待併發同步的角度。
  • 悲觀鎖認為對於同一個資料的併發操作,一定是會發生修改的,哪怕沒有修改,也會認為修改。因此對於同一個資料的併發操作,悲觀鎖採取加鎖的形式。悲觀的認為,不加鎖的併發操作一定會出問題。
  • 樂觀鎖則認為對於同一個資料的併發操作,是不會發生修改的。在更新資料的時候,會採用嘗試更新,不斷重新的方式更新資料。樂觀的認為,不加鎖的併發操作是沒有事情的。
  • 從上面的描述我們可以看出,悲觀鎖適合寫操作非常多的場景,樂觀鎖適合讀操作非常多的場景,不加鎖會帶來大量的效能提升。
  • 悲觀鎖在Java中的使用,就是利用各種鎖。
  • 樂觀鎖在Java中的使用,是無鎖程式設計,常常採用的是CAS演算法,典型的例子就是原子類,通過CAS自旋實現原子操作的更新。

分段鎖

  • 分段鎖其實是一種鎖的設計,並不是具體的一種鎖,對於ConcurrentHashMap而言,其併發的實現就是通過分段鎖的形式來實現高效的併發操作。
  • 分段鎖的設計目的是細化鎖的粒度,當操作不需要更新整個陣列的時候,就僅僅針對陣列中的一項進行加鎖操作。

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

  • 這三種鎖是指鎖的狀態,並且是針對Synchronized。在Java 5通過引入鎖升級的機制來實現高效Synchronized。這三種鎖的狀態是通過物件監視器在物件頭中的欄位來表明的。
  • 偏向鎖是指一段同步程式碼一直被一個執行緒所訪問,那麼該執行緒會自動獲取鎖。降低獲取鎖的代價。
  • 輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候,被另一個執行緒所訪問,偏向鎖就會升級為輕量級鎖,其他執行緒會通過自旋的形式嘗試獲取鎖,不會阻塞,提高效能。
  • 重量級鎖是指當鎖為輕量級鎖的時候,另一個執行緒雖然是自旋,但自旋不會一直持續下去,當自旋一定次數的時候,還沒有獲取到鎖,就會進入阻塞,該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的執行緒進入阻塞,效能降低。

自旋鎖

  • 自旋鎖原理非常簡單,如果持有鎖的執行緒能在很短時間內釋放鎖資源,那麼那些等待競爭鎖的執行緒就不需要做核心態和使用者態之間的切換進入阻塞掛起狀態,它們只需要等一等(自旋),等持有鎖的執行緒釋放鎖後即可立即獲取鎖,這樣就避免使用者執行緒和核心的切換的消耗
  • 但是執行緒自旋是需要消耗cup的,說白了就是讓cup在做無用功,如果一直獲取不到鎖,那執行緒也不能一直佔用cup自旋做無用功,所以需要設定一個自旋等待的最大時間。
  • 如果持有鎖的執行緒執行的時間超過自旋等待的最大時間扔沒有釋放鎖,就會導致其它爭用鎖的執行緒在最大等待時間內還是獲取不到鎖,這時爭用執行緒會停止自旋進入阻塞狀態。

Synchronized與Static Synchronized

區別

  • static synchronized方法是類鎖,synchronized方法是物件鎖

  • synchronized相當於 this.synchronized,static synchronized相當於Something.synchronized

舉例

pulbic class Test(){
    public synchronized void A(){}
    public synchronized void B(){}
    public static synchronized void cA(){}
    public static synchronized void cB(){}
}

新建兩個例項,x和y

1 x.A()與x.B() 
2 x.A()與y.A()
3 x.cA()與y.cB()
4 x.A()與Test.cA()

四種情況哪組方法何以被多個以上執行緒同時訪問?

  • 情況1:同一個例項上鎖肯定不行
  • 情況2:是針對不同例項的,因此可以同時被訪問
  • 情況3:因為static synchronized為類鎖,所以不同例項之間仍然會被限制
  • 情況4:可以,類鎖和例項鎖互不干擾

Lock

定義

Lock是一個介面

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}
  • lock()tryLock()tryLock(long time, TimeUnit unit)lockInterruptibly()是用來獲取鎖的。
  • unLock()方法是用來釋放鎖的。

四種獲取Lock的方法區別

lock()

平常使用得最多的一個方法,就是用來獲取鎖。如果鎖已被其他執行緒獲取,則進行等待。

使用Lock必須在try{}catch{}塊中進行,並且將釋放鎖的操作放在finally塊中進行,以保證鎖一定被被釋放,防止死鎖的發生。

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //處理任務
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //釋放鎖
}

tryLock()

tryLock()有返回值的,它表示用來嘗試獲取鎖,如果獲取成功,則返回true,如果鎖已被其他執行緒獲取,則返回false。

這個方法會立即返回,在拿不到鎖時也不會一直在那等待。

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //處理任務
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //釋放鎖
     } 
}else {
    //如果不能獲取鎖,則直接做其他事情
}

tryLock(long time, TimeUnit unit)

此方法在拿不到鎖時會等待一定的時間,在時間期限之內如果還拿不到鎖,就返回false。如果如果一開始拿到鎖或者在等待期間內拿到了鎖,則返回true。

lockInterruptibly()方法比較特殊,當通過這個方法去獲取鎖時,如果執行緒正在等待獲取鎖,則這個執行緒能夠響應中斷,即中斷執行緒的等待狀態。也就使說,當兩個執行緒同時通過lock.lockInterruptibly()想獲取某個鎖時,假若此時執行緒A獲取到了鎖,而執行緒B還在等待,那麼對執行緒B呼叫threadB.interrupt()方法中斷執行緒B的等待過程。

lockInterruptibly()

當通過lockInterruptibly()方法獲取某個鎖時,如果不能獲取到,只有進行等待的情況下,是可以響應中斷的。

而用synchronized修飾的話,當一個執行緒處於等待某個鎖的狀態,是無法被中斷的,只有一直等待下去。

當一個執行緒獲取了鎖之後,是不會被interrupt()方法中斷的。單獨呼叫interrupt()方法不能中斷正在執行過程中的執行緒,只能中斷阻塞過程中的執行緒。

lockInterruptibly()的宣告中丟擲了異常,所以lock.lockInterruptibly()必須放在try塊中或者在呼叫lockInterruptibly()的方法外宣告丟擲InterruptedException。

public void method() throws InterruptedException {
    lock.lockInterruptibly();
    try {  
     //.....
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }  
}

synchronized與Lock的區別

類別 synchronized Lock
存在層次 Java的關鍵字,在jvm層面上 是一個介面
鎖的釋放 以獲取鎖的執行緒執行完同步程式碼,釋放鎖
執行緒執行發生異常,jvm會讓執行緒釋放鎖
在finally中必須釋放鎖,不然容易造成執行緒死鎖
鎖的獲取 死等 有多個鎖獲取的方式,可以嘗試獲得鎖,執行緒可以不用死等
鎖狀態 無法判斷 可以判斷
鎖型別 可重入
不可中斷
非公平
可重入 可判斷 可公平(兩者皆可)
效能 少量同步時更好 大量同步時更好

synchronized和lock的用法區別

synchronized:在需要同步的物件中加入此控制,synchronized可以加在方法上,也可以加在特定程式碼塊中,括號中表示需要鎖的物件。

public synchronized void Test(){}

synchronized(temp){
	// 操作
}

Lock:需要顯示指定起始位置和終止位置。前文已經有示例這裡不再舉例。

synchronized和Lock效能區別

  • 大量同步時Lock可以提高多個執行緒進行讀操作的效率。(可以通過readwritelock實現讀寫分離)
  • 在資源競爭不是很激烈的情況下,Synchronized的效能要優於ReetrantLock,但是在資源競爭很激烈的情況下,Synchronized的效能會下降幾十倍,但是ReetrantLock的效能能維持常態
  • ReentrantLock提供了多樣化的同步,比如有時間限制的同步,可以被Interrupt的同步(synchronized的同步是不能Interrupt的)等。在資源競爭不激烈的情形下,效能稍微比synchronized差點點。但是當同步非常激烈的時候,synchronized的效能一下子能下降好幾十倍。而ReentrantLock還能維持常態。

synchronized和Lock用途區別

兩者在一般情況下沒有什麼區別,但在非常複雜的同步應用中,應該使用Lock,例如:

  • 某個執行緒在等待一個鎖的控制權的這段時間需要中斷

  • 需要分開處理一些wait/notify,JUC裡面的Condition,能夠實現精準喚醒

  • 需要公平鎖功能