深入并发锁，解析Synchronized锁升级

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深入并发锁，解析Synchronized锁升级
这篇文章分为六个部分，不同特性的锁分类，并发锁的不同设计，Synchronized中的锁升级，ReentrantLock和ReadWriteLock的应用，帮助你梳理 Java 并发锁及相关的操作。

一、锁有哪些分类

一般我们提到的锁有以下这些：
- 乐观锁/悲观锁
- 公平锁/非公平锁
- 可重入锁
- 独享锁/共享锁
- 互斥锁/读写锁
- 分段锁
- 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
- 自旋锁
上面是很多锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，下面分别说明。

1、乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念，体现了看待线程同步的不同角度，在Java和数据库中都有此概念对应的实际应用。

（1）乐观锁

顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。

乐观锁适用于多读的应用类型，乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

CAS全称 Compare And Swap（比较与交换），是一种无锁算法。在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

简单来说，CAS算法有3个三个操作数：
- 需要读写的内存值 V。
- 进行比较的值 A。
- 要写入的新值 B。
当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。

（2）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。

传统的MySQL关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
- 悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
- 乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。
2、公平锁 VS 非公平锁

（1）公平锁

就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照FIFO的规则从队列中取到自己。

公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

（2）非公平锁

上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。

非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

（3）典型应用

java jdk并发包中的ReentrantLock可以指定构造函数的boolean类型来创建公平锁和非公平锁（默认）,比如：公平锁可以使用new ReentrantLock(true)实现。

3、独享锁 VS 共享锁

（1）独享锁

是指该锁一次只能被一个线程所持有。

（2）共享锁

是指该锁可被多个线程所持有。

对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。
- 读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。
- 独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
（3）AQS

抽象队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS）是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。

concurrent包的实现结构如上图所示，AQS、非阻塞数据结构和原子变量类等基础类都是基于volatile变量的读/写和CAS实现，而像Lock、同步器、阻塞队列、Executor和并发容器等高层类又是基于基础类实现。

4、互斥锁 VS 读写锁

相交进程之间的关系主要有两种，同步与互斥。所谓互斥，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。所谓同步，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

显然，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。
也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！

总结：互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

（1）互斥锁

在访问共享资源之前对进行加锁操作，在访问完成之后进行解锁操作。加锁后，任何其他试图再次加锁的线程会被阻塞，直到当前进程解锁。

如果解锁时有一个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的线程都被编程就绪状态，第一个变为就绪状态的线程又执行加锁操作，那么其他的线程又会进入等待。在这种方式下，只有一个线程能够访问被互斥锁保护的资源

（2）读写锁

这个时候读写锁就应运而生了，读写锁是一种通用技术，并不是Java特有的。

读写锁特点：
- 多个读者可以同时进行读
- 写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行）
- 写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）
互斥锁特点：
- 一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待
（3）Linux的读写锁

Linux内核也支持读写锁。
```
互斥锁
pthread_mutex_init()
pthread_mutex_lock()
pthread_mutex_unlock()
读写锁
 
pthread_rwlock_init()
pthread_rwlock_rdlock()
pthread_rwlock_wrlock()
pthread_rwlock_unlock()
条件变量
 
pthread_cond_init()
pthread_cond_wait()
pthread_cond_signal()
```
5、自旋锁

自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

在Java中，自旋锁是指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，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。
典型的自旋锁实现的例子，可以参考自旋锁的实现

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。

但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

（1）Java如何实现自旋锁？

下面是个简单的例子：
```
public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 利用CAS
        while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
            // DO nothing
        }
    }
    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        cas.compareAndSet(current, null);
    }
}
```
lock（)方法利用的CAS，当第一个线程A获取锁的时候，能够成功获取到，不会进入while循环，如果此时线程A没有释放锁，另一个线程B又来获取锁，此时由于不满足CAS，所以就会进入while循环，不断判断是否满足CAS，直到A线程调用unlock方法释放了该锁。

（2）自旋锁存在的问题
1. 如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。
2. 上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。
（3）自旋锁的优点
1. 自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快
2. 非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。（线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）
二、并发锁的不同设计方式

根据所锁的设计方式和应用，有分段锁，读写锁等。

1、分段锁技术，并发锁的一种设计方案

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。

但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。

分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

2、锁消除和锁膨胀（粗化）

锁消除，如无必要，不要使用锁。Java 虚拟机也可以根据逃逸分析判断出加锁的代码是否线程安全，如果确认线程安全虚拟机会进行锁消除提高效率。

锁粗化。如果一段代码需要使用多个锁，建议使用一把范围更大的锁来提高执行效率。Java 虚拟机也会进行优化，如果发现同一个对象锁有一系列的加锁解锁操作，虚拟机会进行锁粗化来降低锁的耗时。

3、轮询锁与定时锁

轮询锁是通过线程不断尝试获取锁来实现的，可以避免发生死锁，可以更好地处理错误场景。Java 中可以通过调用锁的 tryLock 方法来进行轮询。tryLock 方法还提供了一种支持定时的实现，可以通过参数指定获取锁的等待时间。如果可以立即获取锁那就立即返回，否则等待一段时间后返回。

4、读写锁

读写锁 ReadWriteLock 可以优雅地实现对资源的访问控制，具体实现为 ReentrantReadWriteLock。读写锁提供了读锁和写锁两把锁，在读数据时使用读锁，在写数据时使用写锁。

读写锁允许有多个读操作同时进行，但只允许有一个写操作执行。如果写锁没有加锁，则读锁不会阻塞，否则需要等待写入完成。
```
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = lock.readLock();
Lock writeLock = lock.writeLock();
```
三、synchronized中的锁

synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。

在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。
现代的（Oracle）JDK 中，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

1、synchronized中锁的状态

锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级。
这四种状态都不是Java语言中的锁，而是Jvm为了提高锁的获取与释放效率而做的优化(使用synchronized时)。
- 无锁状态
- 偏向锁状态
- 轻量级锁状态
- 重量级锁状态
2、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。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。

重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

3、synchronized的锁升级

所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

四、看下ReentrantLock

ReentrantLock，一个可重入的互斥锁，它具有与使用synchronized方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大。

1、基本用法
```
public class LockTest {
 
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void testMethod() {
        lock.lock();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()
                    + (" " + (i + 1)));
        }
        lock.unlock();
    }
 
}
```
2、Condition应用

synchronized与wait()和nitofy()/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知模型，ReentrantLock同样可以，但是需要借助Condition，且Condition有更好的灵活性，具体体现在：
- 一个Lock里面可以创建多个Condition实例，实现多路通知
- notify()方法进行通知时，被通知的线程时Java虚拟机随机选择的，但是ReentrantLock结合Condition可以实现有选择性地通知，这是非常重要的
3、Condition类和Object类
- Condition类的awiat方法和Object类的wait方法等效
- Condition类的signal方法和Object类的notify方法等效
- Condition类的signalAll方法和Object类的notifyAll方法等效
五、再看下ReadWriteLock

在并发场景中用于解决线程安全的问题，我们几乎会高频率的使用到独占式锁，通常使用java提供的关键字synchronized（关于synchronized可以看这篇文章）或者concurrents包中实现了Lock接口的ReentrantLock。

它们都是独占式获取锁，也就是在同一时刻只有一个线程能够获取锁。而在一些业务场景中，大部分只是读数据，写数据很少，如果仅仅是读数据的话并不会影响数据正确性（出现脏读），而如果在这种业务场景下，依然使用独占锁的话，很显然这将是出现性能瓶颈的地方。

针对这种读多写少的情况，java还提供了另外一个实现Lock接口的ReentrantReadWriteLock(读写锁)。读写所允许同一时刻被多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他的写线程都会被阻塞。

1、ReadWriteLock接口

ReadWriteLock，顾明思义，读写锁在读的时候，上读锁，在写的时候，上写锁，这样就很巧妙的解决synchronized的一个性能问题：读与读之间互斥。

ReadWriteLock也是一个接口，原型如下：
```
public interface ReadWriteLock {
    Lock readLock();
    Lock writeLock();
}
```
该接口只有两个方法，读锁和写锁。

也就是说，我们在写文件的时候，可以将读和写分开，分成2个锁来分配给线程，从而可以做到读和读互不影响，读和写互斥，写和写互斥，提高读写文件的效率。

2、ReentrantReadWriteLock应用

下面的实例参考《Java并发编程的艺术》，使用读写锁实现一个缓存。
```
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Cache {
    static Map<String,Object> map = new HashMap<String, Object>();
    static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
    
    public static final Object getByKey(String key){
        readLock.lock();
        try{
            return map.get(key);
        }finally{
            readLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object getMap(){
        readLock.lock();
        try{
            return map;
        }finally{
            readLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object put(String key,Object value){
        writeLock.lock();
        try{
            return map.put(key, value);
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object remove(String key){
        writeLock.lock();
        try{
            return map.remove(key);
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static final void clear(){
        writeLock.lock();
        try{
            map.clear();
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<Thread>();
        for(int i =0;i<6;i++){
            Thread thread = new PutThread();
            threadList.add(thread);
        }
        for(Thread thread : threadList){
            thread.start();
        }
        put("ji","ji");
        System.out.println(getMap());
    }
    
    private static class PutThread extends Thread{
        public void run(){
            put(Thread.currentThread().getName(),Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}
```
3、读写锁的锁降级

读写锁支持锁降级，遵循按照获取写锁，获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁，不支持锁升级，关于锁降级下面的示例代码摘自ReentrantWriteReadLock源码中：
```
void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        if (!cacheValid) {
            // Must release read lock before acquiring write lock
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                // Recheck state because another thread might have
                // acquired write lock and changed state before we did.
                if (!cacheValid) {
                    data = ...
            cacheValid = true;
          }
          // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
          rwl.readLock().lock();
        } finally {
          rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
        }
      }
 
      try {
        use(data);
      } finally {
        rwl.readLock().unlock();
      }
    }
}
```
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原文地址：https://www.cnblogs.com/binyue/p/12287586.html

深入并发锁，解析Synchronized锁升级

一、锁有哪些分类

1、乐观锁 VS 悲观锁

（1）乐观锁

（2）悲观锁

2、公平锁 VS 非公平锁

（1）公平锁

（2）非公平锁

（3）典型应用

3、独享锁 VS 共享锁

（1）独享锁

（2）共享锁

（3）AQS

4、互斥锁 VS 读写锁

（1）互斥锁

（2）读写锁

（3）Linux的读写锁

5、自旋锁

（1）Java如何实现自旋锁？

（2）自旋锁存在的问题

（3）自旋锁的优点

二、并发锁的不同设计方式

1、分段锁技术，并发锁的一种设计方案

2、锁消除和锁膨胀（粗化）

3、轮询锁与定时锁

4、读写锁

三、synchronized中的锁

1、synchronized中锁的状态

2、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

3、synchronized的锁升级

四、看下ReentrantLock

1、基本用法

2、Condition应用

3、Condition类和Object类

五、再看下ReadWriteLock

1、ReadWriteLock接口

2、ReentrantReadWriteLock应用

3、读写锁的锁降级