【并发编程】Java中的锁有哪些？各自都有什么样的特性？

目录

锁的概念

公平锁/非公平锁

可重入锁

独享锁/共享锁

互斥锁/读写锁

乐观锁/悲观锁

分段锁

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

自旋锁

可中断锁

在Java中锁的种类主要有这些：

公平锁/非公平锁
可重入锁
独享锁/共享锁
互斥锁/读写锁
乐观锁/悲观锁
分段锁
偏向锁/轻量级锁/重量级锁
自旋锁
可中断锁

上面是很多锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，所以有可能两种锁的名词可以同时形容一种关键字，下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

首先明确锁是什么东西，要理解锁的概念：

锁是在资源中的，是要访问资源（如对象实例，Class类实例，属性变量，代码块等）的一部分，线程只有获取该资源的锁才有权访问这个资源，这个就是锁机制。线程想要持有资源的锁。资源的锁有很多种，下面就对锁的种类进行讲解。

java的内置锁：每个java对象都可以用做一个实现同步的锁（因为每一个Java对象都对应着一个monitor对象，monitor对象就是实现锁机制的基础），这些锁称为内置锁（也就是Monitor锁）。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁，在退出同步代码块或方法时会释放该锁。

获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。

java内置锁是一个互斥锁，这就是意味着最多只有一个线程能够获得该锁，当线程A尝试去获得线程B持有的内置锁时，线程A必须等待或者阻塞，知道线程B释放这个锁，

如果B线程不释放这个锁，那么A线程将永远等待下去。

公平锁/非公平锁

它们指的锁的两种种类

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。

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。（非公平锁就是抢占式的）

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。
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。

可重入锁

它指的锁的一种种类

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***自动获取锁。说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。

对于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。
对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题，即已经获取该资源的锁的线程，如果该线程再次访问该资源，系统会判定当前资源的锁已经被线程持有（实际是被该线程自己持有）无法获取该锁，需要阻塞等待，然后该线程就会进入阻塞状态，而锁本来就在它这，阻塞状态锁也释放不了，也获取不了，就进入到了死锁状态。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁，可重入锁可以使持有锁的线程重复访问资源，不会发生死锁。

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

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点，如果不是可重入锁的话，setB可能不会被当前线程执行，可能造成死锁。

独享锁/共享锁

它们指的锁的两种种类

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

对于ReentrantLock而言，其是独享锁。
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。
- 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（操作系统中的读者-写者问题）。
对于Synchronized而言，当然是独享锁。

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。

互斥锁/读写锁

它们指的锁的两种种类的具体实现

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。

互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock
Synchronized也是互斥锁

乐观锁/悲观锁

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。

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（或者增删改多，查少），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。

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（或者增删改少，查多）。在更新数据的时候，会采用不断尝试更新的方式来更新数据。也就是先不管资源有没有被别的线程占用，直接取申请操作，如果没有产生冲突，那就操作成功，如果产生冲突，有其他线程已经在使用了，那么就不断地轮询。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。就是通过设置多个版本，如果修改完之后发现有冲突再将版本返回到没修改的样子，乐观锁就是不加锁。

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。

悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
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。

分段锁

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。

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)。

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。

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。

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。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

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。锁是在资源中的，是要访问资源（如对象实例，Class类实例，属性变量，代码块等）的一部分，线程是要取得资源中的锁。

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。
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。
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。

自旋锁

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（即当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区），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。

典型的自旋锁实现的例子：

public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

    public void lock(){
        Thread current = Thread.currentThread();
        while(!sign .compareAndSet(null, current)){
        }
    }

    public void unlock (){
        Thread current = Thread.currentThread();
        sign .compareAndSet(current, null);
    }
}

使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。