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Java核心（三）并发中的线程同步与锁

乐观锁、悲观锁、公平锁、自旋锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁、锁膨胀...难理解？不存的！来，话不多说，带你飙车。

上一篇介绍了线程池的使用，在享受线程池带给我们的性能优势之外，似乎也带来了另一个问题：线程安全的问题。

那什么是线程的安全问题呢？

一、线程安全问题的产生

线程安全问题：指的是在多线程编程中，同时操作同一个可变的资源之后，造成的实际结果与预期结果不一致的问题。

比如：A和B同时向C转账10万元。如果转账操作不具有原子性，A在向C转账时，读取了C的余额为20万，然后加上转账的10万，计算出此时应该有30万，但还未来及将30万写回C的账户，此时B的转账请求过来了，B发现C的余额为20万，然后将其加10万并写回。然后A的转账操作继续——将30万写回C的余额。这种情况下C的最终余额为30万，而非预期的40万。

如果上面的内容您还没有理解，没关系，我们来看下面非安全线程的模拟代码：

public class ThreadSafeSample {
    public int number;
    public void add() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            int former = number++;
            int latter = number;
            if (former != latter-1){
                System.out.printf("非相等 former=" +  former + " latter=" + latter);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadSafeSample threadSafeSample = new ThreadSafeSample();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join();
        threadB.join();
    }
}
复制代码

我电脑运行的结果： 非相等 => former=5555 latter=6061

可以看到，仅仅是两个线程的低度并发，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情况。这是因为，在两次取值的过程中，其他线程可能已经修改了number.

二、线程安全的解决方案

线程安全的解决方案分为以下几个维度（参考《码出高效：Java开发手册》）：

数据单线程可见（单线程操作自己的数据是不存在线程安全问题的，ThreadLocal就是采用这种解决方案）；
数据只读；
使用线程安全类（比如StringBuffer就是一个线程安全类，内部是使用synchronized实现的）；
同步与锁机制；

解决线程安全核心思想是：“要么只读，要么加锁”，解决线程安全的关键在于合理的使用Java提供的线程安全包java.util.concurrent简称JUC。

三、线程同步与锁

Java 5 以前，synchronized是仅有的同步手段，Java 5的时候增加了ReentrantLock（再入锁）它的语义和synchronized基本相同，比synchronized更加灵活，可以做到更多的细节控制，比如锁的公平性/非公平性指定。

3.1 synchronized

synchronized 是 Java 内置的同步机制，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。

3.1.1 synchronized 使用

synchronized 可以用来修饰方法和代码块。

3.1.1.1 修饰代码块

synchronized (this) {
    int former = number++;
    int latter = number;
    //...
}
复制代码

3.1.1.2 修饰方法

public synchronized void add() {
    //...
}
复制代码

3.1.2 synchronized 底层实现原理

synchronized 是由一对 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。在 Java 6 之前，Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作，性能也很低。但在Java 6的时候，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏向锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

3.1.2.1 偏向锁/轻量级锁/重量级锁

偏向锁是为了解决在没有多线程的访问下，尽量减少锁带来的性能开销。

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。

3.1.2.2 锁膨胀（升级）原理

Java 6 之后优化了 synchronized 实现方式，使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式，减低了锁带来的性能消耗，也就是我们常说的锁膨胀或者叫锁升级，那么它是怎么实现锁升级的呢？

锁膨胀（升级）原理：在锁对象的对象头里面有一个ThreadId字段，在第一次访问的时候ThreadId为空，JVM让其持有偏向锁，并将ThreadId设置为其线程id，再次进入的时候会先判断ThreadId是否尤其线程id一致，如果一致则可以直接使用，如果不一致，则升级偏向锁为轻量级锁，通过自旋循环一定次数来获取锁，不会堵塞，执行一定次数之后就会升级为重量级锁，进入堵塞，整个过程就是锁膨胀（升级）的过程。

3.1.2.3 自旋锁

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。

3.1.2.4 乐观锁/悲观锁

悲观锁和乐观锁并不是某个具体的“锁”而是一种是并发编程的基本概念。

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。

乐观锁则与 Java 并发包中的 AtomicFieldUpdater 类似，也是利用 CAS 机制，并不会对数据加锁，而是通过对比数据的时间戳或者版本号，来实现乐观锁需要的版本判断。

3.1.2.5 公平锁/非公平锁

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。

如果使用 synchronized 使用的是非公平锁，是不可设置的，这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默认的调度策略很少会导致 “饥饿”发生。非公平锁的吞吐量大于公平锁。

非公平锁吞吐量大于公平锁的原因：

比如A占用锁的时候，B请求获取锁，发现被A占用之后，堵塞等待被唤醒，这个时候C同时来获取A占用的锁，如果是公平锁C后来者发现不可用之后一定排在B之后等待被唤醒，而非公平锁则可以让C先用，在B被唤醒之前C已经使用完成，从而节省了C等待和唤醒之间的性能消耗，这就是非公平锁比公平锁吞吐量大的原因。

3.2 ReentrantLock

ReentrantLock只能修饰代码块，使用ReentrantLock必须手动unlock释放锁，不然锁永远会被占用。

3.2.1 ReentrantLock 使用

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); // 设置为true为公平锁，默认是非公平锁
reentrantLock.lock();
try {

}finally {
    reentrantLock.unlock();
}
复制代码

原文 https://juejin.im/post/5bf607855188254b9d09311d

正文到此结束