Lock详解

1、Lock

Lock 是一个接口，具体定义如下：

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) 和 lockInterruptibly() 是用来获取锁的。
• unLock()方法是用来释放锁的。

在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

　　首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

　　由于在前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用 Lock 必须在 try{} catch{} 块中进行，并且将释放锁的操作放在 finally块 中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用 Lock 来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

　　tryLock() 方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

　　tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法 和 tryLock() 方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

　　所以，一般情况下通过 tryLock 来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){
         
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

　　lockInterruptibly() 方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly() 想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用 threadB.interrupt() 方法能够中断线程B的等待过程。

　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以 lock.lockInterruptibly() 必须放在 try 块中或者在调用 lockInterruptibly() 的方法外声明抛出 InterruptedException。

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

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

　　注意：当一个线程获取了锁之后，是不会被 interrupt() 方法中断的。单独调用 interrupt() 方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。

　　因此当通过 lockInterruptibly() 方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　　而用 synchronized 修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

2、Lock类型

这里需要补充三个概念：AQS、CLH队列 和 CAS。

　　具体可参看我的另外一篇博文 多线程之必知概念：CLH、CAS 和 AQS

Lock 类型具体有哪些：

一、公平锁/非公平锁

1. 公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
2. 非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。
3. 对于ReentrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
4. 对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像 ReentrantLock 是通过 AQS 的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

二、可重入锁

1. 可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。
2. 说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。
3. 对于Java ReentrantLock 而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁，其名字是Re entrant Lock重新进入锁。
4. 对于Synchronized而言，也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。（父类上锁，子类可以继承也可以调用相互上锁的父类）

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}
 
synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

三、独享锁/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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 对于Synchronized而言，当然是独享锁。

四、互斥锁/读写锁

1. 上面讲的 独享锁/共享锁 就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁 就是具体的实现。
2. 互斥锁在Java中的具体实现就是 ReentrantLock
3. 读写锁在Java中的具体实现就是 ReadWriteLock

五、乐观锁/悲观锁

1. 乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。
2. 悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题。
3. 乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，会采用尝试更新。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。
4. 从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。
5. 悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
6. 乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是 原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

六、分段锁

1. 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。
2. 我们以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)。
3. 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来知道他要放在哪一个分段中，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。
4. 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。
5. 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。

七、偏向锁/轻量级锁/重量级锁

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

八、自旋锁

1. 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。

　　线程自旋和适应性自旋

　　我们知道，java线程其实是映射在内核之上的，线程的挂起和恢复会极大的影响开销。
　　jdk官方人员发现，很多线程在等待锁的时候，在很短的一段时间就获得了锁，所以它们在线程等待的时候，并不需要把线程挂起，而是让他无目的的循环，一般设置10次。
　　这样就避免了线程切换的开销，极大的提升了性能。

　　而适应性自旋，是赋予了自旋一种学习能力，它并不固定自旋10次一下。
　　他可以根据它前面线程的自旋情况，从而调整它的自旋，甚至是不经过自旋而直接挂起。