05_一文学明白java锁

原创

_温柔一刀 2023-01-10 09:55:52 博主文章分类：java ©著作权

文章标签 java 多线程并发编程队列 java锁 文章分类 虚拟化云计算

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05_一文学明白java锁

1. Java锁之公平锁和非公平锁

概念

2.可重入锁(递归锁)ReentrantLock

概念
代码
作用
可重入锁验证

证明Synchronized
证明ReentrantLock

3.Java锁之自旋锁(重点)

3.1 优缺点
3.2 手写自旋锁

4.独占锁（写锁） / 共享锁（读锁） / 互斥锁

4.1概念
4.2 代码实现

解决方法

1. Java锁之公平锁和非公平锁

概念

公平锁
是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，类似于排队买饭，先来后到，先来先服务，就是公平的，也就是队列

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，有可能申请的线程比先申请的线程优先获取锁，在高并发环境下，有可能造成优先级翻转，或者饥饿的线程（也就是某个线程一直得不到锁）

如何创建
并发包中ReentrantLock的创建可以指定析构函数的boolean类型来得到公平锁或者非公平锁，默认是非公平锁

/**
* 创建一个可重入锁，true 表示公平锁，false 表示非公平锁。默认非公平锁
*/
Lock lock = new ReentrantLock(true);

两者区别
公平锁：就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列中的第一个，就占用锁，否者就会加入到等待队列中，以后安装FIFO的规则从队列中取到自己

非公平锁：非公平锁比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。

题外话
Java ReenttrantLock通过构造函数指定该锁是否公平，默认是非公平锁，因为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

2.可重入锁(递归锁)ReentrantLock

概念

可重入锁就是递归锁

指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能获取到该锁的代码，在同一线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁

也就是说：线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步的代码块

ReentrantLock / Synchronized 就是一个典型的可重入锁

代码

可重入锁就是，在一个method1方法中加入一把锁，方法2也加锁了，那么他们拥有的是同一把锁

public synchronized void method1() {
  method2();
}

public synchronized void method2() {

}

也就是说我们只需要进入method1后，那么它也能直接进入method2方法，因为他们所拥有的锁，是同一把。

作用

可重入锁的最大作用就是避免死锁

可重入锁验证

证明Synchronized

public class Phone {


    public synchronized void sendSNS(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\"come in sendSMs() \"");
        sendMail();
    }

    private synchronized void sendMail(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"come in sendMail()");
    }
}

public class ReenterLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        for (int i = 1; i <=3 ; i++) {
            new Thread(()->{
                phone.sendSNS();
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }

}

在这里，我们编写了一个资源类phone，拥有两个加了synchronized的同步方法，分别是sendSMS 和 sendEmail，我们在sendSMS方法中，调用sendEmail。最后在主线程同时开启了两个线程进行测试，最后得到的结果为：

05_一文学明白java锁_java锁

这就说明当 t1 线程进入sendSMS的时候，拥有了一把锁，同时t2线程无法进入，直到t1线程拿着锁，执行了sendEmail 方法后，才释放锁，这样t2才能够进入

证明ReentrantLock

package com.wfg.mylock;

/**
 * java
 *
 * @Title: com.wfg.mylock
 * @Date: 2020/8/29 17:04
 * @Author: wfg
 * @Description:
 * @Version:
 */

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 资源类
 */
public class Phone1 implements Runnable {
    Lock lock =new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        getLock();
    }

    /**
     * set进去的时候，就加锁，调用set方法的时候，能否访问另外一个加锁的set方法
     */
    public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t set Lock");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
        Phone1 phone = new Phone1();

        /**
         * 因为Phone实现了Runnable接口
         */
        Thread t3 = new Thread(phone, "t3");
        Thread t4 = new Thread(phone, "t4");
        t3.start();
        t4.start();
    }

05_一文学明白java锁_java锁_02

最后输出结果我们能发现，结果和加synchronized方法是一致的，都是在外层的方法获取锁之后，线程能够直接进入里层

当我们在getLock方法加两把锁会是什么情况呢？ (阿里面试)

public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

最后得到的结果也是一样的，因为里面不管有几把锁，其它他们都是同一把锁，也就是说用同一个钥匙都能够打开

当我们在getLock方法加两把锁，但是只解一把锁会出现什么情况呢？

public void getLock() {
    lock.lock();
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
        setLock();
    } finally {
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

得到结果

t3 get Lock
t3 set Lock
也就是说程序直接卡死，线程不能出来，也就说明我们申请几把锁，最后需要解除几把锁

当我们只加一把锁，但是用两把锁来解锁的时候，又会出现什么情况呢？

public void getLock() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t get Lock");
            setLock();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

这个时候，运行程序会直接报错

t3   get Lock
t3   set Lock
t4   get Lock
t4   set Lock
Exception in thread "t3" Exception in thread "t4" java.lang.IllegalMonitorStateException
  at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
  at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
  at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
  at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
  at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
java.lang.IllegalMonitorStateException
  at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
  at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
  at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
  at com.moxi.interview.study.thread.Phone.getLock(ReenterLockDemo.java:52)
  at com.moxi.interview.study.thread.Phone.run(ReenterLockDemo.java:67)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

这个和多层事务差不多的概念

3.Java锁之自旋锁(重点)

自旋锁：spinlock，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，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

原来提到的比较并交换，底层使用的就是自旋，自旋就是多次尝试，多次访问，不会阻塞的状态就是自旋。

05_一文学明白java锁_java_03

3.1 优缺点

优点：循环比较获取直到成功为止，没有类似于wait的阻塞

缺点：当不断自旋的线程越来越多的时候，会因为执行while循环不断的消耗CPU资源

3.2 手写自旋锁

通过CAS操作完成自旋锁，A线程先进来调用myLock方法自己持有锁5秒，B随后进来发现当前有线程持有锁，不是null，所以只能通过自旋等待，直到A释放锁后B随后抢到

/**
 * 手写一个自旋锁
 *
 * 循环比较获取直到成功为止，没有类似于wait的阻塞
 *
 * 通过CAS操作完成自旋锁，A线程先进来调用myLock方法自己持有锁5秒，B随后进来发现当前有线程持有锁，不是null，所以只能通过自旋等待，
 * 直到A释放锁后B随后抢到
 */
 public class MySpinlock {

    AtomicReference<Thread> threadAtomicReference = new AtomicReference<>();
    public void myLock(){

        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(thread.getName()+" 尝试获取锁");
        while (!threadAtomicReference.compareAndSet(null,thread)){

        }
        System.out.println(thread.getName()+" ================获取锁成功");
    }

    public void myUnLock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        threadAtomicReference.compareAndSet(thread,null);
        System.out.println(thread.getName()+" *****************释放锁成功");
    }

    public static void main(String[] args) {
        MySpinlock mySpinlock = new MySpinlock();
        new Thread(()->{
            mySpinlock.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            mySpinlock.myUnLock();
        },"t1").start();

        new Thread(()->{
            mySpinlock.myLock();

            mySpinlock.myUnLock();
        },"t2").start();
    }



}

05_一文学明白java锁_java_04

首先输出的是 t1 come in

然后1秒后，t2线程启动，发现锁被t1占有，所有不断的执行 compareAndSet方法，来进行比较，直到t1释放锁后，也就是5秒后，t2成功获取到锁，然后释放

4.独占锁（写锁） / 共享锁（读锁） / 互斥锁

4.1概念

独占锁：指该锁一次只能被一个线程所持有。对ReentrantLock和Synchronized而言都是独占锁

共享锁：指该锁可以被多个线程锁持有

对ReentrantReadWriteLock其读锁是共享，其写锁是独占

写的时候只能一个人写，但是读的时候，可以多个人同时读

为什么会有写锁和读锁
原来我们使用ReentrantLock创建锁的时候，是独占锁，也就是说一次只能一个线程访问，但是有一个读写分离场景，读的时候想同时进行，因此原来独占锁的并发性就没这么好了，因为读锁并不会造成数据不一致的问题，因此可以多个人共享读

多个线程同时读一个资源类没有任何问题，所以为了满足并发量，读取共享资源应该可以同时进行，但是如果一个线程想去写共享资源，就不应该再有其它线程可以对该资源进行读或写

读-读：能共存

读-写：不能共存

写-写：不能共存

4.2 代码实现

实现一个读写缓存的操作，假设开始没有加锁的时候，会出现什么情况

class  MyCache{   //资源类

    private Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 写操作: 独占+原子性
    public void put(String key, Object value){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始写操作");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(key,value);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写操作完成" +value);
    }

    /**
     * 读操作 可以共享 增加吞吐量
     * @param key
     */
    public void get(String key){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "======开始读操作");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Object res = map.get(key);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "======读操作完成" + res);
    }
}
public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCache myCache = new MyCache();

        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int tempi=i;
            new Thread(()->{
                myCache.put(tempi+"", tempi);
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int tempi=i;
            new Thread(()->{
                myCache.get(tempi+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

    }
}

05_一文学明白java锁_java锁_05

从中我们可以看出来这个完全不是我们想要的

在写入的时候，写操作都没其它线程打断了，这就造成了，还没写完，其它线程又开始写，这样就造成数据不一致

解决方法

上面的代码是没有加锁的，这样就会造成线程在进行写入操作的时候，被其它线程频繁打断，从而不具备原子性，这个时候，我们就需要用到读写锁来解决了
上面的代码是没有加锁的，这样就会造成线程在进行写入操作的时候，被其它线程频繁打断，从而不具备原子性，这个时候，我们就需要用到读写锁来解决了

/**
* 创建一个读写锁
* 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
*/
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

当我们在进行写操作的时候，就需要转换成写锁

// 创建一个写锁

rwLock.writeLock().lock();

// 写锁 释放
rwLock.writeLock().unlock();

当们在进行读操作的时候，在转换成读锁

// 创建一个读锁

rwLock.readLock().lock();

// 读锁 释放
rwLock.readLock().unlock();

这里的读锁和写锁的区别在于，写锁一次只能一个线程进入，执行写操作，而读锁是多个线程能够同时进入，进行读取的操作

完整代码：

class  MyCache{   //资源类
    /**
     * 创建一个读写锁
     * 它是一个读写融为一体的锁，在使用的时候，需要转换
     */
    private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 写操作: 独占+原子性
    public void put(String key, Object value){

        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始写操作");
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(key,value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写操作完成" +value);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    /**
     * 读操作 可以共享 增加吞吐量
     * @param key
     */
    public void get(String key){
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "======开始读操作");
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Object res = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "======读操作完成" + res);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }
}
public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCache myCache = new MyCache();

        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int tempi=i;
            new Thread(()->{
                myCache.put(tempi+"", tempi);
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            final int tempi=i;
            new Thread(()->{
                myCache.get(tempi+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

    }
}

05_一文学明白java锁_java_06

从运行结果我们可以看出，写入操作是一个一个线程进行执行的，并且中间不会被打断，而读操作的时候，是同时5个线程进入，然后并发读取操作

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