Java中的各种锁--分类总结

前言

本文需要具备一定的多线程基础才能更好的理解。

学习java多线程时，最头疼的知识点之一就是java中的锁了，什么互斥锁、排它锁、自旋锁、死锁、活锁等等，细分的话可以罗列出20种左右的锁，光是看着这些名字就足以让人望而却步了，更别说一个个去理解它们的含义了。其实我要在这里告诉大家，我们看到的其实只是假象，其实根本没有这么多锁，或者这样说，这里边有很多锁其实就是一个东西，当我们从不同的侧重点去看的时候，它们就会衍生出不同的名字。本文就是着重将这些锁进行分门别类的总结，另外，本文不着重阐述锁的实现原理，大家有兴趣可以自行去查找，资料有很多，本文着重让大家理解这些锁的概。好了，废话不多说，进入正题。

一、由ReentrantLock和synchronized实现的一系列锁

jdk1.5的java.util.concurrent并发包中的Lock接口和1.5之前的synchronized或许是我们最常用的同步方式。这两种同步方式特别是Lock的ReentrantLock实现，经常拿来进行比较，其实他们有很多相似之处，其实它们在实现同步的思想上大致相同，只不过在一些细节的策略上（诸如抛出异常是否自动释放锁）有所不同。前边说过了，本文着重讲锁的实现思想和不同锁的概念与分类，不对实现原理的细节深究。

因此我在下面介绍第一类锁的时候经常讲他们放在一起来说。我们先来说一下Lock接口的实现之一ReentrantLock。当我们想要创建ReentrantLock实例的时候，jdk为我们提供两种重载的构造函数，如下：

     /**
      * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
      * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
      */
     public ReentrantLock() {
         sync = new NonfairSync();
     }

     /**
      * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
      * given fairness policy.
      *
      * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
      */
     public ReentrantLock(boolean fair) {
         sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
     }

ReentrantLock

fair是什么意思？公平的意思，没错，这就是我们要说的第一种锁。

1.从其它等待中的线程是否按顺序获取锁的角度划分--公平锁与非公平锁

我先做个形象比喻，比如现在有一个餐厅，一次最多只允许一个持有钥匙的人进入用餐，那么其他没拿到钥匙的人就要在门口等着，等里面那个人吃完了，他出来他把钥匙扔地上，后边拿到钥匙的人才能进入餐厅用餐。

• 公平锁：是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。所用公平锁就好像在餐厅的门口安装了一个排队的护栏，谁先来的谁就站的靠前，无法进行插队，当餐厅中的人用餐结束后会把钥匙交给排在最前边的那个人，以此类推。公平锁的好处是，可以保证每个排队的人都有饭吃，先到先吃后到后吃。但是弊端是，要额外安装排队装置。
• 非公平锁：理解了公平锁，非公平锁就很好理解了，它无非就是不用排队，当餐厅里的人出来后将钥匙往地上一扔，谁抢到算谁的。但是这样就造成了一个问题，那些身强体壮的人可能总是会先抢到钥匙，而那些身体瘦小的人可能一直抢不到，这就有可能将一直抢不到钥匙，最后导致需要很长时间才能拿到钥匙甚至一直拿不到直至饿死。

公平锁与非公平所的总结：

（1） 公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率相对低一些；非公平锁的好处是整体效率相对高一些，但是有些线程可能会饿死或者说很早就在等待锁，但要等很久才会获得锁。其中的原因是公平锁是严格按照请求所的顺序来排队获得锁的，而非公平锁时可以抢占的，即如果在某个时刻有线程需要获取锁，而这个时候刚好锁可用，那么这个线程会直接抢占，而这时阻塞在等待队列的线程则不会被唤醒。
（2） 在java中，公平锁可以通过new ReentrantLock(true)来实现；非公平锁可以通过new ReentrantLock(false)或者默认构造函数new ReentrantLock()实现。
（3）synchronized是非公平锁，并且它无法实现公平锁。

2.从能否有多个线程持有同一把锁的角度划分--互斥锁

互斥锁的概念非常简单，也就是我们常说的同步，即一次最多只能有一个线程持有的锁，当一个线程持有该锁的时候其它线程无法进入上锁的区域。

在Java中synchronized就是互斥锁，从宏观概念来讲，互斥锁就是通过悲观锁的理念引出来的，而非互斥锁则是通过乐观锁的概念引申的。
即：

互斥锁--悲观锁

非互斥锁--乐观锁

3.从一个线程能否递归获取自己的锁的角度划分--重入锁（递归锁）

我们知道，一条线程若想进入一个被上锁的区域，首先要判断这个区域的锁是否已经被某条线程所持有。如果锁正在被持有那么线程将等待锁的释放，但是这就引发了一个问题，我们来看这样一段简单的代码：

 public class ReentrantDemo {
     private Lock mLock;

     public ReentrantDemo(Lock mLock) {
         this.mLock = mLock;
     }

     public void outer() {
         mLock.lock();
         inner();
         mLock.unlock();
     }

     public void inner() {
         mLock.lock();
         // do something
         mLock.unlock();
     }
 }

ReentrantDemo

当线程A调用outer()方法的时候，会进入使用传进来mlock实例来进行mlock.lock()加锁，此时outer()方法中的这片区域的锁mlock就被线程A持有了，当线程B想要调用outer()方法时会先判断，发现这个mlock这把锁被其它线程持有了，因此进入等待状态。我们现在不考虑线程B，单说线程A，线程A进入outer()方法后，它还要调用inner()方法，并且inner()方法中使用的也是mlock()这把锁，于是接下来有趣的事情就来了。按正常步骤来说，线程A先判断mlock这把锁是否已经被持有了，判断后发现这把锁确实被持有了，但是可笑的是，是A自己持有的。那你说A能否在加了mlock锁的outer()方法中调用加了mlock锁的inner方法呢？答案是如果我们使用的是可重入锁，那么递归调用自己持有的那把锁的时候，是允许进入的。

可重入锁：可以再次进入方法A，就是说在释放锁前此线程可以再次进入方法A（方法A递归）。
    不可重入锁（自旋锁）：不可以再次进入方法A，也就是说获得锁进入方法A是此线程在释放锁钱唯一的一次进入方法A。

下面这段代码演示了不可重入锁：

 public class Lock{
     private boolean isLocked = false;
     public synchronized void lock()
         throws InterruptedException{
         while(isLocked){
             wait();
         }
         isLocked = true;
     }  

     public synchronized void unlock(){
         isLocked = false;
         notify();
     }
 }  

不可重入锁

可以看到，当isLocked被设置为true后，在线程调用unlock()解锁之前不管线程是否已经获得锁，都只能wait()。

4.从编译器优化的角度划分--锁消除和锁粗化

锁消除和锁粗化，是编译器在编译代码阶段，对一些没有必要的、不会引起安全问题的同步代码取消同步（锁消除）或者对那些多次执行同步的代码且它们可以可并到一次同步的代码（锁粗化）进行的优化手段，从而提高程序的执行效率。

锁消除

对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据是来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而能被其他线程访问到，那就可以把他们当做栈上数据对待，认为他们是线程私有的，同步加锁自然就无需进行。

来看这样一个方法

     public String concatString(String s1, String s2, String s3)
     {
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         sb.append(s1);
         sb.append(s2);
         sb.append(s3);
         return sb.toString();
     }

concatString方法

     public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) {
         super.append(sb);
         return this;
     }

StringBuffer源码(append)

可见append的方法使用synchronized进行同步，我们知道对象的实例总是存在于堆中被多有线程共享，即使在局部方法中创建的实例依然存在于堆中，但是对该实例的引用是线程私有的，对其他线程不可见。即上边代码中虽然StringBuffer的实例是共享数据，但是对该实例的引用确实每条线程内部私有的。不同的线程引用的是堆中存在的不同的StringBuffer实例，它们互不影响互不可见。也就是说在concatString()方法中涉及了同步操作。但是可以观察到sb对象它的作用域被限制在方法的内部，也就是sb对象不会“逃逸”出去，其他线程无法访问。因此，虽然这里有锁，但是可以被安全的消除，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了

锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是要将同步块的作用范围限制的尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁禁止，那等待的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下，这些都是正确的。

但是，如果一系列的联系操作都是同一个对象反复加上和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那么即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也导致不必要的性能损耗。

举个案例，类似上面锁消除的concatString()方法。如果StringBuffer sb = new StringBuffer();定义在方法体之外，那么就会有线程竞争，但是每个append()操作都对同一个对象反复加锁解锁，那么虚拟机探测到有这样的情况的话，会把加锁同步的范围扩展到整个操作序列的外部，即扩展到第一个append()操作之前和最后一个append()操作之后，这样的一个锁范围扩展的操作就称之为锁粗化。

5.在不同的位置使用synchronized--类锁和对象锁

这是最常见的锁了，synchronized作为锁来使用的时候，无非就只能出现在两个地方（其实还能修饰变量，但作用是保证可见性，这里讨论锁，故不阐述）：代码块、方法（一般方法、静态方法）。

由于可以使用不同的类型来作为锁，因此分成了类锁和对象锁。

• 类锁：使用字节码文件（即.class）作为锁。如静态同步函数（使用本类的.class），同步代码块中使用.class。
• 对象锁：使用对象作为锁。如同步函数（使用本类实例，即this），同步代码块中是用引用的对象。

下面代码涵盖了所有synchronized的使用方式：

 public class Demo {
     public Object obj = new Object();

     public static synchronized void method1() { //1.静态同步函数,使用本类字节码做类锁（即Demo.class）
     }

     public void method2() {
         synchronized (Demo.class) { //同步代码块，使用字节码做类锁
         }
     }

     public synchronized void method3() { //同步函数，使用本类对象实例即this做对象锁
     }

     public void method4() {
         synchronized (this) { //同步代码块，使用本类对象实例即this做对象锁
         }
     }

     public void method5() {
         synchronized (obj) { //同步代码块，使用共享数据obj实例做对象锁。
         }
     }
 }

二、从锁的设计理念来分类--悲观锁、乐观锁

如果将锁在宏观上进行大的分类，那么所只有两类，即悲观锁和乐观锁。

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

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，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。

java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如RetreenLock。

使用场景：就是利用各种锁。

乐观锁

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。在更新数据的时候，会采用尝试更新，不断重新的方式更新数据。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。

但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。

使用场景：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。

乐观锁的实现思想--CAS（Compare and Swap）无锁

CAS并不是一种实际的锁，它仅仅是实现乐观锁的一种思想，java中的乐观锁（如自旋锁）基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

关于CAS的原理，有兴趣可以参看JAVA CAS实现原理与使用。另外，在Java中，java.util.concurrent.atomic包下的原子类也都是基于CAS实现的。

前两节的结构图

三、数据库中常用到的锁--共享锁、排它锁

共享锁和排它锁多用于数据库中的事物操作，主要针对读和写的操作。而在Java中，对这组概念通过ReentrantReadWriteLock进行了实现，它的理念和数据库中共享锁与排它锁的理念几乎一致，

即一条线程进行读的时候，允许其他线程进入上锁的区域中进行读操作；当一条线程进行写操作的时候，不允许其他线程进入进行任何操作。即读+读可以存在，读+写、写+写均不允许存在

• 共享锁：也称读锁或S锁。如果事务T对数据A加上共享锁后，则其他事务只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获准共享锁的事务只能读数据，不能修改数据。
• 排它锁：也称独占锁、写锁或X锁。如果事务T对数据A加上排它锁后，则其他事务不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的事务即能读数据又能修改数据。

使用场景：

排它锁：Synchronized、ReentrantLock等
共享锁：ReadWriteLock其读锁是共享锁(其写锁是排它锁)等

四、对锁的不同效率进行的分类--偏向锁、轻量级锁和重量级锁

由于不同的锁的实现原理不同，故它们的效率肯定也会不尽相同，那么我们在不同的应用场景下究竟该选择何种锁呢？

基于这个问题，锁被分成了偏向锁、轻量级锁和重量级锁以便应对不同的应用场景。

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。
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，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，可以参考自旋锁的实现

具体请参考：java 中的锁 -- 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁。

五、由于并发问题产生的锁--死锁、活锁

死锁

1.什么是死锁

所谓死锁是指多个线程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。下面我通过一些实例来说明死锁现象。

先看生活中的一个实例，2个人一起吃饭但是只有一双筷子，2人轮流吃（同时拥有2只筷子才能吃）。某一个时候，一个拿了左筷子，一人拿了右筷子，2个人都同时占用一个资源，等待另一个资源，这个时候甲在等待乙吃完并释放它占有的筷子，同理，乙也在等待甲吃完并释放它占有的筷子，这样就陷入了一个死循环，谁也无法继续吃饭。

在计算机系统中也存在类似的情况。例如，某计算机系统中只有一台打印机和一台输入 设备，进程P1正占用输入设备，同时又提出使用打印机的请求，但此时打印机正被进程P2 所占用，而P2在未释放打印机之前，又提出请求使用正被P1占用着的输入设备。这样两个进程相互无休止地等待下去，均无法继续执行，此时两个进程陷入死锁状态。

2.死锁形成的必要条件

产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生：

• 互斥条件：进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间内某 资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。
• 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能 由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
• 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源 已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
• 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合{Pl, P2, ..., pn}，其中Pi等 待的资源被P(i+1)占有（i=0, 1, ..., n-1)，Pn等待的资源被P0占有。

活锁

活锁和死锁在表现上是一样的两个线程都没有任何进展，但是区别在于：死锁，两个线程都处于阻塞状态，说白了就是它不会再做任何动作，我们通过查看线程状态是可以分辨出来的。而活锁呢，并不会阻塞，而是一直尝试去获取需要的锁，不断的try，这种情况下线程并没有阻塞所以是活的状态，我们查看线程的状态也会发现线程是正常的，但重要的是整个程序却不能继续执行了，一直在做无用功。举个生动的例子的话，两个人都没有停下来等对方让路，而是都有很有礼貌的给对方让路，但是两个人都在不断朝路的同一个方向移动，这样只是在做无用功，还是不能让对方通过。

六、分段锁

分段锁也是一种锁思想，对数据分段加锁已提高并发效率，比如jdk8之前的ConcurrentHashMap 的分段锁(Segment)，jdk8后采用CAS+synchronized。通过hashCode计算到索引后对数据分段加锁
详见：ConcurrentHashMap的锁分段技术

转自：

https://blog.csdn.net/renwei289443/article/details/79540809

https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70233767

https://www.cnblogs.com/qifengshi/p/6831055.html

https://blog.csdn.net/yansong_8686/article/details/50664351