java多线程抢锁会有顺序吗

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技术博客达人 2024-10-21 23:03:42

文章标签 java多线程抢锁会有顺序吗 java 多线程并发编程面试 文章分类 Java 后端开发

前言

年轻人，醒醒吧！此时不搏何时搏！本文主要讲一下常见的CAS理论。再者就是说一下锁的分类，什么乐观锁啊，悲观锁、重入锁等等。这篇文章要一网打尽，都介绍一下。

java多线程抢锁会有顺序吗_并发编程

把CAS按在地上摩擦

中文名：比较并交换

英文名：Compare And Swap

英文缩写：CAS

他是一种无锁化基于乐观锁思想实现的算法，目的是在不使用锁的情况下实现多线程之间的共享数据同步。在Java的java.util.concurrent包中的原子类（不是原子弹）就是基于CAS的实现的。在CAS的算法世界中，存在三大护法：value（要更新的变量）、expected（预期值）和new（要新写入的值）。下面画图说明CAS是如何实现不加锁的情况下协调多线程同步共享数据的：

java多线程抢锁会有顺序吗_面试_02

解释一下：当A、B两个线程都操作value值时，线程A如果一切顺利，会在进行预期值与内存值做比较且相等，这个动作是原子化操作，这时候执行原子的修改value值的操作。修改完成后，B线程也来修改，发现有敌情，只好原地循环等待，直到条件符合时才进行内存值的操作。还有一点要注意的是，比对和修改两个动作都是原子的，但是原子操作 + 原子操作 != 原子操作。多线程高并发，搞的额头没头发。

java多线程抢锁会有顺序吗_并发编程_03

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理想与现实的差距就是这么大…

锁的分类

乐观锁与悲观锁

这二位其实并不是实际存在的锁，仅仅是对锁的抽象定义。乐观锁的目的就是不加锁，从而提升效率。这一思想在Java以及基于数据库实现的乐观锁中都有实践。

在乐观锁的概念里，认为所有的数据都是为我当前线程服务的，在我使用的过程中不会有别的线程修改我的数据（哼，想多了），但是为了保险起见，在更新目标数据的时候还是要做一次对比，即前面说的CAS过程。不过乐观锁是思想，CAS是算法。搞清楚这个就行了。

在悲观锁的概念里，跟乐观锁恰好相反，它的核心是“总有刁民想害朕”即所有线程都可能修改自己持有的数据。因此在读取数据的时候就赶紧上锁，其他人都别想动我的宝贝！大家都立正，一个一个按顺序来。比如前面写到的Synchronized和后面将要写的Lock接口，还有就是基于数据库的悲观锁：select xx from xx where xxx for update。

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自旋锁与非自旋锁

自旋锁其实就是前一篇中说的轻量级锁，还有兄弟是自适应自旋锁，目前自旋锁是被废了的太子，自适应自旋锁顶替了太子之位了，因为它可以自动的动态调整自旋次数，以达到最高效的运行状态，具体根据那些参数自动调整。而非自旋锁则是当目标资源被占用时，直接进入休眠状态了（遇到困难，睡大觉），等资源就绪后会被再次唤醒并尝试获取锁，这样就造成了反复的内核态与用户态的切换，浪费系统资源。一张图，展示一下自旋与非自旋的差异性：

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画图是真的费眼睛，大家有什么比较好的画图方式吗？可以分享一下。这里再解释一下，自旋锁并不完美，有很多缺点，比如自旋时如果此时控制不当，会造成CPU资源的浪费，JDK也在不断的优化这些锁的性能。

再往深了说，其实在自旋锁中还分为三种：TicketLock、CLHlock和MCSlock。

TicketLock

看名字就知道：票据锁，即想要获取锁，你要出示对应的凭证，对上号了，才能把锁给你。跟你去银行取钱似的，拿对卡，输对密码才能给你取钱。

/**
 * FileName: TicketLock
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/12/3 9:34 PM
 * Description:
 */
public class TicketLock {
    //保证可见性
    volatile int flag = 0;
    AtomicInteger ticket = new AtomicInteger(0);
    void lock() {
        int getTicket = ticket.getAndIncrement();
        while (getTicket != flag) {

        }
    }

    void unlock() {
        flag++;
    }
}

还记得前面讲的Volatile是基于总线监听实现的可见性吗？这里如果线程特别多，大家都在监听flag，这对于带宽容量有限的主存来说，线程的不断增加，压力会越来越大，这也桑畅TicketLock的缺点。

CLHlock

CLHLock其实是三个人发明的：Craig, Landin和Hagersten所以叫CLH了，它的底层是基于链表的公平自旋锁。赫赫有名的AQS（AbstractQueuedSynchronizer）就是基于这种锁变种而来的。在CLH中，所有相互竞争的线程都被放到一个链表中排队，每一个线程被抽象成一个链表的节点，每一个节点在前趋结点的locked域上自旋等待。当前驱释放锁状态，则后续节点就可以进行获取锁的操作。在以后的文章里会手撕AQS的，今天主要介绍一下有啥，埋个种子。

MCSlock

CLHLock这么牛13了，还整个MCSLock干啥呢？原因竟然是为了兼容硬件系统，从架构上来看，分为三大怪物：SMP, MPP和NUMA，问题就出在了这个NUMA上了。它的中文名是：非一致存储访问结构。正是因为这种结构，导致了在使用CLHLock时，后节点在获取前节点中的locked域状态时内存过远。行了，当做八股文背住就行了，面试估计也没人问这个，写BUG更用不到。

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公平锁与非公平锁

公平锁

是指多个线程按照申请锁的顺序来依次获取锁，线程直接进入队列中排队，当共享资源可用时，只有队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。但是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁

是指多个线程加锁时直接尝试获取锁，加锁失败时，才会被放入队列中去。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。优点是可以减少唤起线程的开销，吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

重入锁和不可重入锁

可重入锁

以Java为例ReentrantLock和Synchronized都是可重入锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候,如果其内部调用的方法也有锁，则可以直接获取锁，不会因为之前的锁还没释放而阻塞，一定程度上避免了死锁。在下面的代码中，testRoller()和testRunning() 都是加了锁的两个方法，因为Synchronized是可重入锁，所以在testRoller()中调用testRunning()时，可以直接获取锁。

/**
 * FileName: TestLock
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/12/3 9:34 PM
 * Description:
 */
public class TestLock {
    public synchronized void testRoller() {
        System.out.println("testRoller....");
        testRunning();
    }

    public synchronized void testRunning() {
        System.out.println("testRunning....");
    }
}