【Java并发】锁机制

• 一、重入锁
• 二、读写锁
• 三、悲观锁、乐观锁
  • 3.1 悲观锁
  • 3.2 乐观锁
  • 3.3 CAS操作方式
  • 3.4 CAS算法理解
  • 3.5 CAS（乐观锁算法）
  • 3.6 CAS缺点
• 四、原子类
  • 4.1 概述
  • 4.2 常用原子类
• 五、分布式锁

一、重入锁

• 锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现,如synchronized（重量级） 和 ReentrantLock(轻量级)等等，这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。
• 重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。

• 在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

• ReentrantLock

public class TL005_Reentrant extends Thread {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
        lock.unlock();
    }
    public void set() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        lock.unlock();
    }
    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        TL005_Reentrant ss = new TL005_Reentrant();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

• synchronized

public class Test_Reentrant implements Runnable {
    public synchronized void get() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");
        set();
    }
    public synchronized void set() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
    }
    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test_Reentrant ss = new Test_Reentrant();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

二、读写锁

• 相比Java中的锁Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。

• 示例如下：

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 rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock r = rwl.readLock();
    static Lock w = rwl.writeLock();
    // 获取一个key对应的value
    public static final Object get(String key) {
        r.lock();
        try {
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
            Thread.sleep(100);
            Object object = map.get(key);
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
            System.out.println();
            return object;
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            r.unlock();
        }
        return key;
    }
    // 设置key对应的value，并返回旧有的value
    public static final Object put(String key, Object value) {
        w.lock();
        try {
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
            Thread.sleep(100);
            Object object = map.put(key, value);
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
            System.out.println();
            return object;
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            w.unlock();
        }
        return value;
    }
    // 清空所有的内容
    public static final void clear() {
        w.lock();
        try {
            map.clear();
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    Cache.put(i + "", i + "");
                }
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    Cache.get(i + "");
                }
            }
        }).start();
    }
}

三、悲观锁、乐观锁

3.1 悲观锁

• 总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁（读锁、写锁、行锁等），当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

3.2 乐观锁

• 总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。
• version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。
• 核心SQL语句

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};

3.3 CAS操作方式

• CAS：Compare and Swap，即比较再交换。
• 即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。
• jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

3.4 CAS算法理解

• （1）与锁相比，使用CAS会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
• （2）无锁的好处：
  • 第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
  • 第二，它天生就是死锁免疫的。
  • 就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。
• （3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
• （4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
• （5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
• （6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

3.5 CAS（乐观锁算法）

• CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{
   备份旧数据；
   基于旧数据构造新数据；
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

• CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。
• 就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta){
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}
/**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the updated value
 */
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        //获取当前值
        int current = get();
        //设置期望值
        int next = current + 1;
        //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作
        if (compareAndSet(current, next))
            //成功后才会返回期望值，否则无线循环
            return next;
    }
}

3.6 CAS缺点

• CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。
• 问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？
• 如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

四、原子类

4.1 概述

• java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

• 原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

• CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

• jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

• 如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类

4.2 常用原子类

• Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

• 1、基本类型,使用原子的方式更新基本类型

  • AtomicInteger：整型原子类
  • AtomicLong：长整型原子类
  • AtomicBoolean ：布尔型原子类

• 2、数组类型,使用原子的方式更新数组里的某个元素

  • AtomicIntegerArray：整型数组原子类
  • AtomicLongArray：长整型数组原子类
  • AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类

• 3、引用类型

  • AtomicReference：引用类型原子类
  • AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段
  • AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记位的引用类型

• 4、对象的属性修改类型

  • AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型字段的更新器
  • AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器
  • AtomicStampedReference ：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
  • AtomicMarkableReference：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

• 以AtomicInteger为例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Test_AtomicInteger implements Runnable {
    private  static Integer count = 1;
    private  static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            int count = getCountAtomic();
            System.out.println(count);
            if (count >= 150) {
                break;
            }
        }
    }
    public synchronized Integer getCount() {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (Exception e) {
        }
        return count++;
    }
    public Integer getCountAtomic() {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }
        return atomic.incrementAndGet();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test_AtomicInteger test0001 = new Test_AtomicInteger();
        Thread t1 = new Thread(test0001);
        Thread t2 = new Thread(test0001);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

五、分布式锁

• 如果想在不同的jvm中保证数据同步，使用分布式锁技术。
• 有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁