Java并发编程（十一）-- Java中的锁详解

上一章我们已经简要的介绍了Java中的一些锁，本章我们就详细的来说说这些锁。

synchronized锁

synchronized锁是什么？

synchronized是Java的一个关键字，它能够将代码块(方法)锁起来

• 它使用起来是非常简单的，只要在代码块(方法)添加关键字synchronized，即可以实现同步的功能~

 public synchronized void test() {
        ....
 }

synchronized是一种互斥锁

• 一次只能允许一个线程进入被锁住的代码块
• synchronized是一种内置锁/监视器锁
• Java中每个对象都有一个内置锁(监视器,也可以理解成锁标记)，而synchronized就是使用**对象的内置锁(监视器)**来将代码块(方法)锁定的！

synchronized用处是什么？

• synchronized保证了线程的原子性。(被保护的代码块是一次被执行的，没有任何线程会同时访问)
• synchronized还保证了可见性。(当执行完synchronized之后，修改后的变量对其他的线程是可见的)

Java中的synchronized，通过使用内置锁，来实现对变量的同步操作，进而实现了对变量操作的原子性和其他线程对变量的可见性，从而确保了并发情况下的线程安全。

synchronized的原理

我们首先来看一段synchronized修饰方法和代码块的代码：

public class Main {
    //修饰方法
    public synchronized void test1(){

    }

    public void test2(){
    // 修饰代码块
        synchronized (this){

        }
    }
} 

同步代码块：

• monitorenter和monitorexit指令实现的

同步方法（在这看不出来需要看JVM底层实现）

• 方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。

synchronized底层是是通过monitor对象，对象有自己的对象头，存储了很多信息，其中一个信息标示是被哪个线程持有。

synchronized如何使用

synchronized一般我们用来修饰三种东西：

• 修饰普通方法
• 修饰代码块
• 修饰静态方法

修饰普通方法：

用的锁是对象(内置锁)

public class Test1{

    // 修饰普通方法
    public synchronized void test() {
        // doSomething
    }
}

修饰代码块：

用的锁是对象(内置锁)--->this

public class Test2 {

    public  void test() {
        // 修饰代码块
        synchronized (this){
            // doSomething
        }
    }
}

当然了，我们使用synchronized修饰代码块时未必使用this，还可以使用其他的对象(随便一个对象都有一个内置锁)

修饰静态方法

获取到的是类锁(类的字节码文件对象)：

public class Test3 {

    // 修饰静态方法代码块，静态方法属于类方法，它属于这个类，获取到的锁是属于类的锁(类的字节码文件对象)
    public synchronized void test() {
        // doSomething
    }
}

类锁与对象锁

synchronized修饰静态方法获取的是类锁(类的字节码文件对象)，synchronized修饰普通方法或代码块获取的是对象锁。

• 它俩是不冲突的，也就是说：获取了类锁的线程和获取了对象锁的线程是不冲突的！

• public class SynchoronizedDemo {
  
      //synchronized修饰非静态方法
      public synchronized void function() throws InterruptedException {
          for (int i = 0; i <3; i++) {
              Thread.sleep(1000);
              System.out.println("function running...");
          }
      }
      //synchronized修饰静态方法
      public static synchronized void staticFunction()
              throws InterruptedException {
          for (int i = 0; i < 3; i++) {
              Thread.sleep(1000);
              System.out.println("Static function running...");
          }
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          final SynchoronizedDemo demo = new SynchoronizedDemo();
  
          // 创建线程执行静态方法
          Thread t1 = new Thread(() -> {
              try {
                  staticFunction();
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          });
  
          // 创建线程执行实例方法
          Thread t2 = new Thread(() -> {
              try {
                  demo.function();
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          });
          // 启动
          t1.start();
          t2.start();
      }
  }

结果证明：类锁和对象锁是不会冲突的！

重入锁

我们来看下面的代码：

public class Widget {

    // 锁住了
    public synchronized void doSomething() {
        ...
    }
}

public class LoggingWidget extends Widget {

    // 锁住了
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println(toString() + ": calling doSomething");
        super.doSomething();
    }
}

1. 当线程A进入到LoggingWidget的doSomething()方法时，此时拿到了LoggingWidget实例对象的锁。
2. 随后在方法上又调用了父类Widget的doSomething()方法，它又是被synchronized修饰。
3. 那现在我们LoggingWidget实例对象的锁还没有释放，进入父类Widget的doSomething()方法还需要一把锁吗？

不需要的！

因为锁的持有者是“线程”，而不是“调用”。线程A已经是有了LoggingWidget实例对象的锁了，当再需要的时候可以继续**“开锁”**进去的！

这就是内置锁的可重入性。

释放锁的时机

1. 当方法(代码块)执行完毕后会自动释放锁，不需要做任何的操作。
2. 当一个线程执行的代码出现异常时，其所持有的锁会自动释放。

• 不会由于异常导致出现死锁现象~

Lock显式锁

Lock显式锁简介

Lock显式锁是JDK1.5之后才有的，之前我们都是使用Synchronized锁来使线程安全的~

Lock显式锁是一个接口，我们来看看：

随便翻译一下他的顶部注释，看看是干嘛用的：

简单概括一下：

• Lock方式来获取锁支持中断、超时不获取、是非阻塞的
• 提高了语义化，哪里加锁，哪里解锁都得写出来
• Lock显式锁可以给我们带来很好的灵活性，但同时我们必须手动释放锁
• 支持Condition条件对象
• 允许多个读线程同时访问共享资源

synchronized锁和Lock锁使用哪个

前面说了，Lock显式锁给我们的程序带来了很多的灵活性，很多特性都是Synchronized锁没有的。那Synchronized锁有没有存在的必要？？

必须是有的！！Lock锁在刚出来的时候很多性能方面都比Synchronized锁要好，但是从JDK1.6开始Synchronized锁就做了各种的优化

所以，到现在Lock锁和Synchronized锁的性能其实差别不是很大！而Synchronized锁用起来又特别简单。Lock锁还得顾忌到它的特性，要手动释放锁才行(如果忘了释放，这就是一个隐患)

所以说，我们绝大部分时候还是会使用Synchronized锁，用到了Lock锁提及的特性，带来的灵活性才会考虑使用Lock显式锁~

总得来说：

• synchronized好用，简单，性能不差
• 没有使用到Lock显式锁的特性就不要使用Lock锁了。

示例

有一个购买行为事务,需要更新数据库，通常的sql语句是：

update item set amount = amount - 1 where item_id = 1;

然而当amount只有1个的时候,同时有两个顾客进入了事务进行购买行为会如何,最后amount=-1,两个顾客都获得了这个商品,这显然不合理，那么该如何解决这一问题呢？

网上查了一些方法，发现了两个我认为比较不错的方法：乐观锁和悲观锁。

乐观锁(Optimistic Lock), 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，这样可以提高吞吐量。像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。

悲观锁(Pessimistic Lock), 顾名思义，就是很悲观，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block直到它拿到锁。传统的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。

两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下，即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果经常产生冲突，上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

下面来简单介绍一下他们的执行原理。

1. 乐观锁

1) 概念: 在执行修改操作时不判断是否存在冲突,而是到了操作完成后再判断是否存在冲突,如有冲突则回滚

2) 适用情况: 一般适用于回滚代价低,且冲突较少的情况.

3) 优点: 执行操作时不会造成阻塞

4) 缺点: 如果冲突较多,将造成较多的回滚操作

5) 实现: 一般使用版本控制的方式实现

6) 实现例子:

begin;

select @cur_amount := amount from item where item_id = 1;

update item set amount = amount - 1 where amount = @cur_amount and item_id = 1;

commit;

// 最后根据对数据更新行数是否为1来告诉用户是否购买成功。

这是使用乐观锁来更新的例子, @cur_amount是本次事务A获得的数量, 例如为 1, 而另外一个事务B假如于事务A之前执行完了跟新操作, 那么此时数据库中的amount将变为0.

那么事务A的 update 中语句 amount = @cur_amount 将是 0 = 1 而不成立, 所以此次购买会失败

我这里只是一个简单的例子,实际操作中,可能这个事务中间会进行大量操作,而最后会因为amount != @cur_amount 而回滚

2. 悲观锁

1) 概念: 在执行操作前就进行是否需要锁的判断,若有操作正在执行,则需要等待锁释放。

2) 适用情况: 冲突较多的情况

3) 优点: 不需要进行回滚

4) 缺点: 需要串行执行, 会造成阻塞

5) 实现: 使用排他锁

6) 实现例子:

begin;

select amount from item where item_id = 1 for update;

// 通过amount来做出一些行为,例如告诉用户库存不足,购买失败,然后只有amount > 1才进入更新库存操作

update item set amount = amount - 1 where item_id = 1;

commit;

由于是串行执行,其他事务的for update必须等该当前事务的for update语句执行,所以我们不必担心我们获得的amount被修改过,因为它永远是最新的

事实上,对于这种购买行为的最佳解决方案是

update item set amount = amount - 1 where item_id = 1 and amount > 0;

由于update操作在repeatable-read中是串行执行的,所以我们大可以不加锁,直接这么一句就解决了，当然这是一种特例。

参考资料：

• 《Java核心技术卷一》
• 《Java并发编程实战》
• 《Java并发编程的艺术》