基础篇系列，JAVA的并发包 - 锁

JAVA中主要锁

synchronized

Reentrantlock

ReentrantReadWriteLock

问题引入

为什么需要锁？

为什么JAVA有了synchronize还需要Reentrantlock和ReentrantReadWriteLock？

synchronize和lock分别怎么实现同步快（原子性，一致性，禁重排序）？

synchronize和lock分别怎么实现锁的优化，可重入锁，偏向锁?

lock如何实现公平锁（synchronize是非公平锁）?

为什么需要锁？

目的：

锁的目的是防止资源的竞争，主要从  原子性（一致性），可见性，防止处理重排序 三个方面来处理， volatile满足了后面两个特性，JAVA从两方面来实现锁

为什么JAVA有了synchronize还需要Reentrantlock和ReentrantReadWriteLock？

synchronized与ReentrantLock ，使用上看区别

1， synchronize在获取锁阻塞的时候是不能打断的

2， synchronize无超时机制，阻塞了的话只能一直阻塞造成死锁

3，synchronize只能notify，wait，如果需要两个或以上条件就不能用了，如: JAVA阻塞队列的实现，需要用是否为空和是否已满两个条件来阻塞线程

看lock相关的API就知道, 主要就是解决这几个问题

方法名称	描述
lock	获取锁，如果锁无法获取，那么当前的线程就变为不可被调度，直到锁被获取到
lockInterruptibly	获取锁，除非当前线程被中断。如果获取到了锁，那么立即返回，如果获取不到，那么当前线程变得不可被调度，一直休眠直到下面两件事情发生：1、当前线程获取到了锁 2、其他的线程中断了当前的线程
tryLock	如果调用的时候能够获取锁，那么就获取锁并且返回true，如果当前的锁无法获取到，那么这个方法会立刻返回false
tryLcok(long time,TimeUnit unit)	在指定时间内尝试获取锁如果可以获取锁，那么获取锁并且返回true，如果当前的锁无法获取，那么当前的线程变得不可被调度，直到下面三件事之一发生：1、当前线程获取到了锁 2、当前线程被其他线程中断 3、指定的等待时间到了
unlock	释放当前线程占用的锁
newCondition	返回一个与当前的锁关联的条件变量。在使用这个条件变量之前，当前线程必须占用锁。调用Condition的await方法，会在等待之前原子地释放锁，并在等待被唤醒后原子的获取锁

那ReentrantReadWriteLock呢？

读写锁用于读多写少的情况，即当一条线程获取写锁后，后面的读锁都被阻塞，等待获取写锁的线程完成释放。

场景，如本地缓存失效，当需要去DB拿数据进行写入的操作，需要阻塞其它读的操作.

当然，读写锁也是可以基于notifyAll和wait实现

需要注意的是

1. 如果无写锁，读是不阻塞,
2. 持有读锁后，不能直接调用写锁的lock方法 ，否则会造成死锁

synchronize和lock分别怎么实现同步快（原子性，一致性，禁重排序）？

synchronized锁

实现依赖

原子性，可见性和重排序都是依靠指令。方法同步和代码块同步依靠Monitor指令，代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现

锁信息保存在JAVA对象头里，准确说是Mark Word

synchronize的阻塞，依靠几个队列，属于不公平锁（线程先CAS竞争锁，再进队列）

ContentionList(LIFO)-->EntryList(LIFO)-->OnDeck-->Owner-->Wait Set  （http://www.cnblogs.com/lykm02/p/4516777.html ）

锁的转换方面

无锁-->偏向锁-->轻量锁-->重量锁  (http://blog.csdn.net/xad707348125/article/details/47189107)

synchronize和lock分别怎么实现锁的优化，可重入锁，偏向锁?

偏向锁和可重入锁的实现

可重入锁，即当本线程进入同一锁时可以进行多次上锁，当然也需要多次释放

偏向锁，即当获取线程再次进入同步块时不需要再次竞争(CAS),当某个Core CAS成功时必然会引起总线风暴，这就是所谓的本地延迟，本质上偏向锁就是为了消除CAS，降低Cache一致性流量

原理：

1， 锁保存当前锁的线程，判断同一个线程时允许

用一个计数器去记录当前重入的次数，当进入时计数器+1， 当释放锁时计算器-1， 当为0时表示可竞争

synchronized 

实现方式， 会在 Mark Word 存储获取锁线程的ID，然后栈帧中也存储线程ID，以后该线程再次进入同步块（同步方法）时不需要花费CAS了。

lock 

实现方式，  用JAVA代码实现处理，跟踪下  lock()(NonfairSyncCAS获取锁失败)->acquire（AQS尝试获取锁）-->tryAcquire(nonfairTryAcquire)-->nonfairTryAcquire(Sync 如下处理)：

   final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {  //再次判断是否是未锁状态，state为0为未有线程获取锁
                if (compareAndSetState(0, acquires)) { //CAS再次竞争获取锁，此处是公平锁与非公平锁的区别
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            //这里是是实现偏向锁的关键，比较如果是当前锁就不进入CLH队列后面的竞争了
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

　　

lock如何实现公平锁（synchronize是非公平锁）?

synchronize本身是非公平锁，无公平性实现.

lock非公平锁代码（详细如上）

if (compareAndSetState(0, acquires)) {  //如锁被释放,是非公平锁的话，用CAS再次竞争获取锁

公平锁此段代码如下：

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {//如锁被释放，必须当队列为空时才去CAS竞争锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

　　

lock如何实现公平锁（synchronize是非公平锁）?

synchronize本身是非公平锁，无公平性实现.

lock非公平锁代码（详细如上）

if (compareAndSetState(0, acquires)) {  //如锁被释放,是非公平锁的话，用CAS再次竞争获取锁

公平锁此段代码如下：

   protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {//如锁被释放，必须当队列为空时才去CAS竞争锁
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

常见的锁实现原理总结

自旋锁

多个线程一起用CAS去尝试获取一个共同的可见性（volatile）的变量，获取成功即为获取锁

如 所有线程都运行

/**
	 * 自旋锁方式去实现阻塞
	 *
	 * 缺点：无法实现公平性，如果大量使用会增加CPU的Cache一致性流量开销
	 */
	public static void CASLock() {
		// 不断去获取CAS的锁，如成功表示获取锁成功
		while (state.compareAndSet(0, 1)) {
		}
	}

	public static void CASUnlock() {

		if (!state.compareAndSet(1, 0)) {
			// 释放锁异常
			throw new RuntimeException();
		}
	}

　　

排队自旋锁 (Ticket Lock)

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {
   private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(); // 服务号
   private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(); // 排队号

   public int lock() {
         // 首先原子性地获得一个排队号
         int myTicketNum = ticketNum.getAndIncrement();

              // 只要当前服务号不是自己的就不断轮询
       while (serviceNum.get() != myTicketNum) {
       }

       return myTicketNum;
    }

    public void unlock(int myTicket) {
        // 只有当前线程拥有者才能释放锁
        int next = myTicket + 1;
        serviceNum.compareAndSet(myTicket, next);
    }
}

CLH锁

CLH是在前驱节点的属性上自旋,

组成一个队列后，每个节点都有保存当前节点获取锁的状态，和前一个节点的指向，获取锁的步骤

1， 新加个节点，并把节点通过自旋指向tail节点

2， 成功后，不停判断指向节点的锁状态，当前节点锁释放时获取锁

3， 释放锁，改变自身的锁持有状态就行

MCS锁

而MCS是在本地属性变量上自旋。

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