大家好，我是晓星航。今天为大家带来的是 多线程(进阶) 相关的讲解！😀
1.常见的锁策略
这里的锁策略，属于典型的 八股文。
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.
1.1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，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。
举个栗子: 同学 A 和 同学 B 想请教老师一个问题.
同学 A 认为 “老师是比较忙的, 我来问问题, 老师不一定有空解答”. 因此同学 A 会先给老师发消息: “老师 你忙嘛? 我下午两点能来找你问个问题嘛?” (相当于加锁操作) 得到肯定的答复之后, 才会真的来问问题. 如果得到了否定的答复, 那就等一段时间, 下次再来和老师确定时间. 这个是悲观锁.
同学 B 认为 “老师是比较闲的, 我来问问题, 老师大概率是有空解答的”. 因此同学 B 直接就来找老师.(没 加锁, 直接访问资源) 如果老师确实比较闲, 那么直接问题就解决了. 如果老师这会确实很忙, 那么同学 B 也不会打扰老师, 就下次再来(虽然没加锁, 但是能识别出数据访问冲突). 这个是乐观锁.
这两种思路不能说谁优谁劣, 而是看当前的场景是否合适.
如果当前老师确实比较忙, 那么使用悲观锁的策略更合适, 使用乐观锁会导致 “白跑很多趟”, 耗费额 外的资源.
如果当前老师确实比较闲, 那么使用乐观锁的策略更合适, 使用悲观锁会让效率比较低.
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.
就好比同学 C 开始认为 “老师比较闲的”, 问问题都会直接去找老师.
但是直接来找两次老师之后, 发现老师都挺忙的, 于是下次再来问问题, 就先发个消息问问老师忙不忙, 再决定是否来问问题.
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. 我们可以引入一个 “版本号” 来解决.
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”
1)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 ）.
2)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 ）；
3)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;
4)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.
1.2互斥锁 vs 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。
互斥锁：如果一个线程加锁了，另一个线程也尝试加锁，就会阻塞等待
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。
读写锁提供了三种操作：
1.针对读加锁
2.针对写加锁
3.解锁
注意：
读锁和读锁之间，没有互斥
写锁和写锁之间，存在互斥
写锁和读锁之间，存在互斥
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.
1.3重量级锁 vs 轻量级锁
轻量级锁加锁解锁开销比较小，效率更高。 多数情况下，乐观锁也是一个轻量级锁。(不能完全保证)
重量级锁加锁解锁开销比较大，效率更低。 多数情况下，悲观锁也是一个重量级锁。(不能完全保证)
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
- 大量的内核态用户态切换
- 很容易引发线程的调度
这两个操作, 成本比较高. 一旦涉及到用户态和内核态的切换, 就意味着 “沧海桑田”.
轻量级锁: 加锁机制尽可能不使用 mutex, 而是尽量在用户态代码完成. 实在搞不定了, 再使用 mutex.
- 少量的内核态用户态切换.
- 不太容易引发线程调度.
理解用户态 vs 内核态
想象去银行办业务.
在窗口外, 自己做, 这是用户态. 用户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.
1.4自旋锁vs 挂起等待锁（Spin Lock）
自旋锁 是一种典型的轻量级锁。
挂起等待锁，是一种典型的重量级锁。
自旋锁：一直无线循环获取，CPU一直会占用不能干别的事情，但是如果锁一旦释放，自旋锁马上就可以获取到锁。
挂起等待锁：把CPU省下来了，可以去干别的事情，但是如果锁释放了他获取锁的时间比较长，没有自旋锁获取的快。
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, 这个很长的时间间隔里, 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.
1.5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.
1.6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.
// 第一次加锁, 加锁成功 lock(); // 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待. 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.
synchronized 是可重入锁
1.7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.
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长, 就会浪费 CPU 资源.
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.
2.CAS
2.1什么是 CAS
CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据 V，旧的预期值 A，需要修改的新值 B。
- 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
- 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
- 返回操作是否成功。
如果写成 Java 伪代码即为：
if (V == A) { swap(V,B); }
CAS 伪代码
下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解 CAS 的工作流程.
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) { if (&address == expectedValue) { &address = swapValue; return true; } return false; }
两种典型的不是 “原子性” 的代码
- check and set (if 判定然后设定值) [上面的 CAS 伪代码就是这种形式]
- read and update (i++) [之前我们讲线程安全的代码例子是这种形式]
当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线 程只会收到操作失败的信号。
CAS 可以视为是一种乐观锁. (或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)
小结：CAS 可以理解成是CPU给咱们提供的一个特殊指令，通过这个指令就可以一定程度的处理线程安全问题。
