🛬常见的锁策略
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
注意：
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
在Java中，Synchronized 关键字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.
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.
🎋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
我们需要明白的是，这其中
- 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
需要注意是：
- 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
读写锁的应用场景：
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). 这个操作可能要每天就要执行好几次.
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自己课表的时候(读操作), 一个班级的同学很多, 读操作一天就要进行几十次，一学期可能就几百次几千次.但是这一学期的课表, 学校可能只用发布一次(写操作）
最后需要注意的是：
Synchronized 不是读写锁
🌳重量级锁 vs 轻量级锁
谈起这两个锁，不得不说一下锁的核心特性
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.
值得注意的是：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
重量级锁是基于挂起等待锁方式实现的
加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex
这个锁的特点是：
- 大量的内核态用户态切换
- 很容易引发线程的调度
怎么理解呢？
就是如果发现该锁是重量级锁，那么获取锁线程就会进入阻塞等待状态，当锁释放时，该线程就需要重新被CPU调用，这个过程时非常耗费时间的，而且什么是时候被调用也是个问题
轻量级锁是基于自旋锁的方式实现的
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
这个过程就相当于，我们发现是轻量级锁的时候，并不会进入阻塞态，CPU也不会暂时放下该线程，而是处于等待一会儿，如果该时间内锁释放了，就可以立即获取该锁，如果超过一定时间锁还没有释放，那么这个锁就会变为重量级锁
这样一来，虽然占用了CPU，但是提升了效率
上述再讲解中提到两个名词用户态与内核态
其实博主在【JavaEE初阶】 线程池详解与实现也有提到，这里简单再提一下：
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.
这时候我们想，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.
上述讲的频繁切换用户态和内核态很耗费时间，就是这个道理
最后值得注意的是：
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
至于怎么变，博主会在下一篇博文中讲到
🎄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（重量级锁），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) {}
上述伪代码思想为：
- 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
这样的话，一旦锁被其他线程释放, 就能第一时间获取到锁.
这里呢，博主对上述重量级锁与轻量级锁的两种实现方式（自旋锁挂起等待锁）进行一个区分
比如，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)
值得注意的是：
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
怎么理解这两个锁呢？
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
最后值得注意的是：
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
什么叫把自己锁死呢？
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
最后值得注意
synchronized 是可重入锁
🛫相关面试题
- 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).
- 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
- 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长, 就会浪费 CPU 资源
- 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
⭕总结
关于《【JavaEE初阶】 常见的锁策略详解》就讲解到这儿，感谢大家的支持，欢迎各位留言交流以及批评指正，如果文章对您有帮助或者觉得作者写的还不错可以点一下关注，点赞，收藏支持一下！
