常⻅的锁策略

注意: 接下来讲解的锁策略不仅仅是局限于 Java . 任何和 “锁” 相关的话题, 都可能会涉及到以下内容.
这些特性主要是给锁的实现者来参考的.

普通的程序猿也需要了解⼀些, 对于合理的使⽤锁也是有很⼤帮助的.

🌴 乐观锁 vs 悲观锁

悲观锁:
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，所以每次在拿数据的时候都会上锁，
这样别⼈想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。

乐观锁：
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，才会正式对数据是否产⽣
并发冲突进⾏检测，如果发现并发冲突了，则让返回⽤⼾错误的信息，让⽤⼾决定如何去做。

乐观锁的一个重要功能就是要检测出数据是否发生访问冲突.

那我们具体是怎么检测的呢？这里我们我们可以引入一个 “版本号” 来解决.

那什么是版本号呢？请看下面的例子：
假设我们需要多线程修改 “用户账户余额”.

设当前余额为 100. 引入一个版本号 version, 初始值为 1. 并且我们规定 "提交版本必须大于记录当前版本”才能执行更新余额

接下来我们进行以下操作：

第一步：线程 A 此时准备将其读出（ version=1, balance=100 ），线程 B 也读入此信息（ version=1,balance=100 ）
第二步：线程 A 操作的过程中并从其帐户余额中扣除 50（ 100-50 ），线程 B 从其帐户余额中扣除 20（ 100-20 ）；

第三步：线程 A 完成修改工作，将数据版本号加1（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=50），写回到内存中;

第四步：线程 B 完成了操作，也将版本号加1（ version=2 ）试图向内存中提交数据（ balance=80），但此时比对版本发现，操作员 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录的当前版本也为 2 ，不满足 “提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新“ 的乐观锁策略。就认为这次操作失败.

在Java中，Synchronized 初始使⽤乐观锁策略. 当发现锁竞争⽐较频繁的时候, 就会⾃动切换成悲观锁策略.

🎍重量级锁 vs 轻量级锁

锁的核⼼特性 “原⼦性”, 这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的.
• CPU 提供了 “原⼦操作指令”.
• 操作系统基于 CPU 的原⼦指令, 实现了 mutex 互斥锁.
• JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类.

注意, synchronized 并不仅仅是对 mutex 进⾏封装, 在 synchronized 内部还做了很多其
他的⼯作

重量级锁: 加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex

• ⼤量的内核态⽤⼾态切换
• 很容易引发线程的调度

这两个操作, 成本⽐较⾼. ⼀旦涉及到⽤⼾态和内核态的切换, 就意味着 “沧海桑⽥”.

轻量级锁: 加锁机制尽可能不使⽤ mutex, ⽽是尽量在⽤⼾态代码完成. 实在搞不定了, 再使⽤ mutex.

• 少量的内核态⽤⼾态切换.
• 不太容易引发线程调度.

什么是用户态什么是内核态？

理解⽤⼾态 vs 内核态 想象去银⾏办业务. 在窗⼝外, ⾃⼰做, 这是⽤⼾态. ⽤⼾态的时间成本是⽐较可控的. 在窗⼝内, ⼯作⼈员做,
这是内核态. 内核态的时间成本是不太可控的. 如果办业务的时候反复和⼯作⼈员沟通, 还需要重新排队, 这时效率是很低的.

synchronized 开始是⼀个轻量级锁. 如果锁冲突比较严重, 就会变成重量级锁.

🍀自旋锁（Spin Lock）

按之前的⽅式，线程在抢锁失败后进⼊阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度.

但实际上, ⼤部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。没必要就放弃 CPU. 这个时候就可以使⽤⾃旋锁来处理这样的问题.

⾃旋锁伪代码:

while (抢锁(lock) == 失败) {}

如果获取锁失败, ⽴即再尝试获取锁, 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

理解⾃旋锁 vs 挂起等待锁
想象⼀下, 去追求⼀个⼥神. 当男⽣向⼥神表⽩后, ⼥神说: 你是个好⼈, 但是我有男朋友了~~
挂起等待锁: 陷⼊沉沦不能⾃拔… 过了很久很久之后, 突然⼥神发来消息, “咱俩要不试试?” (注意, 这
个很⻓的时间间隔⾥, ⼥神可能已经换了好⼏个男票了).
⾃旋锁: 死⽪赖脸坚韧不拔. 仍然每天持续的和⼥神说早安晚安. ⼀旦⼥神和上⼀任分⼿, 那么就能⽴刻
抓住机会上位.

==⾃旋锁是⼀种典型的 轻量级锁 的实现⽅式.
• 优点: 没有放弃 CPU, 不涉及线程阻塞和调度, ⼀旦锁被释放, 就能第⼀时间获取到锁.
• 缺点: 如果锁被其他线程持有的时间⽐较久, 那么就会持续的消耗 CPU 资源. (⽽挂起等待的时候是不消耗 CPU 的).

synchronized 中的轻量级锁策略⼤概率就是通过⾃旋锁的⽅式实现的.

🎋公平锁 vs ⾮公平锁

假设三个线程 A, B, C. A 先尝试获取锁, 获取成功. 然后 B 再尝试获取锁, 获取失败, 阻塞等待; 然后 C
也尝试获取锁, C 也获取失败, 也阻塞等待.

当线程 A 释放锁的时候, 会发⽣啥呢?

公平锁: 遵守 “先来后到”. B ⽐ C 先来的. 当 A 释放锁的之后, B 就能先于 C 获取到锁.

⾮公平锁: 不遵守 “先来后到”. B 和 C 都有可能获取到锁.

这就好⽐⼀群男⽣追同⼀个⼥神. 当⼥神和前任分⼿之后, 先来追⼥神的男⽣上位, 这就是公平锁; 如果
是⼥神不按先后顺序挑⼀个⾃⼰看的顺眼的, 就是⾮公平锁.

注意:

• 操作系统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, 来记录线程们的先后顺序.

• 公平锁和⾮公平锁没有好坏之分, 关键还是看适⽤场景.

synchronized 是⾮公平锁.

🌳可重⼊锁 vs 不可重⼊锁

可重⼊锁的字⾯意思是“可以重新进⼊的锁”，即允许同⼀个线程多次获取同⼀把锁。

⽐如⼀个递归函数⾥有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞⾃⼰吗？如果不会，那么这个锁就是可重⼊锁（因为这个原因可重⼊锁也叫做递归锁）。

Java⾥只要以Reentrant开头命名的锁都是可重⼊锁，⽽且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括synchronized关键字锁都是可重⼊的。

⽽ Linux 系统提供的 mutex 是不可重⼊锁.

理解 “把⾃⼰锁死”
⼀个线程没有释放锁, 然后⼜尝试再次加锁.

1 // 第⼀次加锁, 加锁成功
2 lock();
3 // 第⼆次加锁, 锁已经被占⽤, 阻塞等待. 
4 lock();

按照之前对于锁的设定, 第⼆次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第⼀次的锁被释放, 才能获取到第⼆个
锁. 但是释放第⼀个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经躺平了, 啥都不想⼲了, 也就⽆法进⾏解
锁操作. 这时候就会 死锁.

这样的锁称为 不可重⼊锁.

最后，要记得

synchronized 是可重入锁

🎄读写锁

多线程之间，数据的读取⽅之间不会产⽣线程安全问题，但数据的写⼊⽅互相之间以及和读者之间都
需要进⾏互斥。如果两种场景下都⽤同⼀个锁，就会产⽣极⼤的性能损耗。所以读写锁因此⽽产⽣。

读写锁（readers-writer lock），看英⽂可以顾名思义，在执⾏加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，⽽写者则要求与任何⼈互斥。

⼀个线程对于数据的访问, 主要存在两种操作: 读数据 和 写数据.

• 两个线程都只是读⼀个数据, 此时并没有线程安全问题. 直接并发的读取即可.
• 两个线程都要写⼀个数据, 有线程安全问题.
• ⼀个线程读另外⼀个线程写, 也有线程安全问题.

读写锁就是把读操作和写操作区分对待. Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 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.
• ReentrantReadWriteLock.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

其中,

• 读加锁和读加锁之间, 不互斥.
• 写加锁和写加锁之间, 互斥.
• 读加锁和写加锁之间, 互斥.

注意, 只要是涉及到 “互斥”, 就会产⽣线程的挂起等待. ⼀旦线程挂起, 再次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. (这样的场景其实也是⾮常⼴泛存在的).

⽐如学校的教务系统.
每节课⽼师都要使⽤教务系统点名, 点名就需要查看班级的同学列表(读操作). 这个操作可能要每周执
⾏好⼏次.
⽽什么时候修改同学列表呢(写操作)? 就新同学加⼊的时候. 可能⼀个⽉都不必改⼀次.
再⽐如, 同学们使⽤教务系统查看作业(读操作), ⼀个班级的同学很多, 读操作⼀天就要进⾏⼏⼗次上
百次.
但是这⼀节课的作业, ⽼师只是布置了⼀次(写操作)

Synchronized 不是读写锁.、

⭕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都去真正加锁.
乐观锁认为多个线程访问同⼀个共享变量冲突的概率不⼤. 并不会真的加锁, ⽽是直接尝试访问数据.
在访问的同时识别当前的数据是否出现访问冲突.
悲观锁的实现就是先加锁(⽐如借助操作系统提供的 mutex), 获取到锁再操作数据. 获取不到锁就等待.
乐观锁的实现可以引⼊⼀个版本号. 借助版本号识别出当前的数据访问是否冲突. (实现细节参考上⾯
的图).

2.介绍下读写锁?

读写锁就是把读操作和写操作分别进⾏加锁.
读锁和读锁之间不互斥
写锁和写锁之间互斥.
写锁和读锁之间互斥.
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呢，缺点是什么？

如果获取锁失败, ⽴即再尝试获取锁, 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, ⼀旦锁被释放就能第⼀时间获取到锁, 更⾼效. 在锁持有时间⽐较短的场景
下⾮常有⽤.
缺点: 如果锁的持有时间较⻓, 就会浪费 CPU 资源.

4.synchronized 是可重⼊锁么？

是可重⼊锁.
可重⼊锁指的就是连续两次加锁不会导致死锁.
实现的⽅式是在锁中记录该锁持有的线程⾝份, 以及⼀个计数器(记录加锁次数). 如果发现当前加锁的
线程就是持有锁的线程, 则直接计数⾃增.