java并发（7）锁

从前的日色变得慢，车，马，邮件都慢，一生只够爱一个人，

从前的锁也好看 钥匙精美有样子 你锁了 人家就懂了。

木心先生写的这首小诗很有情调，一般来说，你锁住了自己的家门，其他人就进不去了，本文的标题是锁，当然，这个“锁”说的不是锁住家门的锁，而是java中的锁，为了更好的理解java中的锁，先举个简单但不怎么优雅的栗子：

我们有个共享资源，这个资源是马桶，这个马桶可以被所有人使用，但是同一时刻只能被同一个人使用（毕竟要两个人同时使用一个马桶还是有些不雅），这个时候该怎么解决这个问题呢，很简单，将这个马桶围起来并加一道门和一把锁，这就是我们平常使用的卫生间，加了这个门之后有什么好处呢？我们来模拟一个场景，100个人同时想使用这个马桶，他们蜂拥而至到达卫生间门口，这时跑的最快的一个人将卫生间门打开，并且在里面将门反锁，开始使用马桶，接着剩下的99个人也来到了门口，他们要使用马桶必须将门打开，所以他们开始尝试打开门，但是门已经从里面反锁了，他们无奈打不开，只能等在门口，直到第一个人使用完这个共享马桶，将门打开，这时所有等待的人开始抢占卫生间，一个人抢到之后从里面将门反锁，其他人又只有等待，依次类推。

以上例子对应于java中的加锁解锁过程，而马桶就是共享资源，若等待的人排队等候就是公平锁，否者就是非公平锁，锁的概念非常大，java中有多种锁的实现，而锁又是并发编程中至关重要的一个概念，所以本文作为一个导读，从大体上描述一下锁的概念以及java中的锁，至于对锁的具体分析，将在后文慢慢补充。

锁的概念

先来说说锁的概念，锁从大类上分为 乐观锁 和 悲观锁 ，j.u.c.a包中的类都是乐观锁，其他的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、synchronized是基于悲观锁实现的，而StampedLock的读锁既有悲观锁实现也有乐观锁实现。

从小类上来分，锁又分为 可重入锁 、 自旋锁 、 独占锁（互斥锁） 、 共享锁 、 公平锁 、 非公平锁 等，而我们常说的读写锁其实是两把锁，写锁是独占锁，读锁是共享锁，接下来阐述一下每种锁的含义

乐观锁

什么是乐观锁，顾名思义，乐观锁乐观的认为共享数据在大多数情况下不会发生冲突，只有少部分时候会发生冲突，在数据提交更新的时候会对冲突进行检查，当检查到冲突的时候，会更新失败，并且返回错误，由用户决定如何对该次失败进行补偿（通常会无限次失败重试），所以整个过程不会对共享数据上锁，称为无锁（lock-free）。

无锁的实现是依赖于底层硬件的，无锁就是指利用处理器的一些特殊的原子指令来避免传统的加锁，而java的乐观锁实现就是基于CAS的，CAS全称是CompareAndSwap，译为比较替换，CAS是无锁的一种实现，也是乐观锁的一种实现，java的Unsafe类有一系列CAS操作的方法，如compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5)方法，该方法是一个native方法，该方法最终会通过JNI借助C语言来调用CPU底层指令cmpxchg，并且通过判断物理机是否是多核的来决定是否在cmpxchg指令前加上lock（lock cmpxchg），cmpxchg是cpu层面的一条cms指令，该指令保证比较和替换两个操作是原子性的，关于更多的CAS原理详解参考这篇文章 JAVA CAS原理深度分析 。

在理解了CAS的比较和替换两个操作是原子性的之后（这一点至关重要）再来看java是如何通过CAS来实现乐观锁的(这里强调一下，乐观锁是一种思想，而CAS是乐观锁的一种实现)，CAS操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)，只用当预期原值，与内存位置中的值相等时，才会把该内存位置的值设置为新值，否则不做任何处理。什么意思呢，举个栗子：内存中有一个值v = 0， 线程A、B同时取得v的值为0，这时线程A要将v的值设置为1，线程A带上v的预期原值0和新值1，通过CAS，先比较预期原值0等于此时内存中v的值0，所以CAS成功，v的值变成了1；此时线程B也想将v的值设置为1，由于线程B在之前读取到的v的值为0，所以线程B期望此刻内存中v的值没有被其他线程改变，所以线程B对v的期望原值是0，线程B带上v的期望原值0和新值1，通过CAS，一比较发现期望原值0不等于此刻v在内存中的值1，所以设置新值失败，CAS失败，这就是怎个CAS过程。

由于本系列不打算对乐观锁做过多的探讨，所以关于java中使用乐观锁实现的Atomic的类，选一个AtomicInteger类在这里做个简单分析：

AtomicInteger的用法如下，我们知道普通int类型的i++是一个非原子性的操作，但是a.incrementAndGet方法是一个原子性的自增操作，其依赖于CAS。

AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
a.incrementAndGet();

AtomicInteger 持有一个volatile修饰的int类型的value字段，该字段就是用来保存int值的，除此之外还有一个valueOffset字段，该字段记录实例变量value在对象内存中的偏移量，简单来说，通过对象和valueOffset就能找到该对象中value字段的位置进而取得value的值，这主要是为了能在c++中获取到AtomicInteger对象的value值。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    ...
}

AtomicInteger.incrementAndGet()源码：

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

可以看到虽然方法名是incrementAndGet，但实际上返回的是unsafe.getAndAddInt + 1，其实这里取了个巧，因为Unsafe类没有addAndGetInt这样的方法。接下来看看Unsafe.getAndAddInt()方法：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

可以看到该方法有3个参数，第一个var1是object，我们传的this，第二个var2是valueOffset,正是传的上文计算出来的valueOffset，第三个参数是要增加多少，前面提到通过对象和valueOffset就可以拿到该对象的value值，所以var5就是通过getIntVloatile方法拿到了内存中的value值，并且保证拿到的是最新值，然后在while中通过compareAndSwapInt函数进行CAS操作，var1、var2可以确定内存中的value值，var5是期望的value旧值，var5+var4是要替换的value新值，通过上文讲到的CAS操作，如果失败，将会继续循环重试，直到CAS成功，此时内存中value值已经+1，跳出循环，返回旧值var5，然后上层函数返回旧值+1，从而完成了这一个自增操作。

CAS还有一个ABA问题，就是线程A取得变量a的值为0，此时线程B将a设置为1，然后又设置为0，虽然线程B对变量a进行了多次修改，但是在线程A执行CAS操作的时候发现变量a的值还是0没有改变（实际上a由0变成了1，然后又变成了0），就会CAS成功，为了解决这个问题，通常是变量前面加上版本号，版本号每次操作都会增加1，由于版本号只会增加不会减少，所以不会出现ABA问题，A-B-A就变成了1A-2B-3A。

关于乐观锁的介绍就写到这里，后面不再打算继续探讨乐观锁，主要是对几种悲观锁进行详细剖析。

悲观锁

与乐观锁相反，悲观锁悲观的认为共享数据在大部分时间下都会发生冲突，所以只能在线程访问共享数据的时候将其锁住，不让其他线程同时访问，所有线程对共享数据的访问都变成了线性访问，所以不会产生任何并发问题，在java中 synchronized、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock都是悲观锁的实现，关于这几个类会在后文详细分析。

公平锁/非公平锁

公平锁和非公平锁是指，线程获取锁阻塞的时候是否需要排队等候，若阻塞的线程按照请求锁的顺序获得锁，那么这把锁是一把公平锁，若阻塞的线程不按照请求锁的顺序获得锁，而是采用抢占式随机获得锁，那么这把锁就是一把非公平锁。

举个栗子，线程A获得了锁，此时线程BCD依次来请求这把锁，但是无奈锁被A持有了，所以BCD只能等待，这时候又两种策略，一种是BCD排队等候，因为B比C先来，C比D先来，所以按照BCD的顺序排好序，当A释放了锁的时候，排在最前面的B获得锁，B释放之后，C获得，依次类推，这种方式就是公平锁；另一种策略是BCD不排队，等A释放锁的时候，BCD去抢这把锁，谁先抢到谁就持有，这种锁就是非公平锁。

优缺点：

公平锁由于维护了线程请求顺序，保证了时间上的绝对顺序，但是在吞吐量上是远不如非公平锁的，非公平锁容易造成饥饿现象，因为非公平锁是抢占式的，所以某个线程可能长时间无法抢占到锁，而处于长时间阻塞状态

synchronized是一般非公平锁，ReentrantLock可通过构造函数 ReentrantLock(boolean fair) 来指定是否是公平锁，默认是非公平锁，ReentrantReadWriteLock同理

可重入锁

可重入锁是指，当线程A获得锁以后，如果线程A在此请求该锁，它能重新获得该锁，synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，仔细想想如果synchronized和ReentrantLock是不可重入锁，那么当两个方法A、B都被synchronized修饰，A方法调用B方法的时候就会发生死锁，因为执行A方法的时候线程已经获取了this对象的锁，然后调用B方法的时候又会去请求一次this对象锁，如果该锁不可重入，则会等待这把锁释放，但是释放这把锁需要A方法执行完成，所以就形成了死锁

表现在代码上：

public class SynchronizedTest {

    public static void main(String[] args){
        new SynchronizedTest().methodA();
    }

    public synchronized void methodA() {
        System.out.println("A is execute ... ");
        B();
    }

    public synchronized void methodB() {
        System.out.println("B is execute ... ");
    }
}

//从结果上看，A()B()方法都得到了执行，没有发生死锁
== 输出 ==
A is execute ...
B is execute ...

自旋锁

自旋锁是指在获取锁失败之后不进入阻塞，而是通过在循环体里面进行不断的重试，前面乐观锁中提到，Unsafe类的CAS操作，在CAS失败的时候会在循环体里面不断重试，直到CAS成功才退出循环，这其实也是一种自旋的表现。

自旋锁由于不会让线程真正的挂起，而是不停的执行循环，所以少了线程状态的切换，清空cpu缓存及重新加载cpu缓存的操作，所以响应速度更快，但是由于自旋锁会占用cpu时间片，所以当线程数量多了之后性能会明显下降

在jdk8中对synchronized关键字进行了一系列优化，引入了轻量级锁、重量级锁、偏向锁、自适应自旋锁等手段，其中自适应自旋锁就是在获取锁失败之后开始自旋，自旋次数不固定，而是根据以前线程自旋期间成功获取到错的次数，也就是说，如果上一个线程通过自旋获取到了锁，那么认为这一个线程通过自旋获取锁的成功率会很高，所以当前线程的自旋次数会增加，相反，如果上一个线程达到最大自旋次数任然没有获取到锁，那么认为自旋获取锁的失败率会很高，所以当前线程的自旋次数会减少，甚至可能出现若是多个线程连续自旋获取锁失败，那么当前线程不再自旋，而是直接挂起。加入自适应自旋锁很好的解决了：如果自旋次数固定，由于任务的差异，导致每次的最佳自旋次数有差异，不好拿捏自旋次数的问题，而是通过“智能学习”的方式动态改变自旋次数

关于synchronized的优化手段还有很多，由于篇幅限制，将在后文单独写一篇来阐述。

独占锁/共享锁

独占锁和共享锁也是一个比较大的概念，如果一把锁同一时刻只能被一个线程持有，则这把锁是独占锁，如果一把锁同一时刻能被多个线程同时持有，则这把锁叫做共享锁。

java中的synchronized和ReentrantLock都是独占锁，而ReentrantReadWriteLock的写锁是一把独占锁，读锁是一把共享锁，关于读写锁ReentrantReadWriteLock和可重入锁ReentrantLock将在后文详细介绍。

后记

本文简单的阐述了几种锁的概念，以及java类中用到的几种锁，简单总结一下：

1. atomic： 乐观锁、共享锁、无锁、非阻塞同步
2. synchronized：悲观锁、独占锁、可重入锁、非公平锁、自旋锁
3. ReentrantLock: 悲观锁、可重入锁、（公平锁|非公平锁）、独占锁
4. ReentrantReadWriteLock.ReadLock: 悲观锁、可重入锁、（公平锁|非公平锁）、共享锁
5. ReentrantReadWriteLock.WriteLock: 悲观锁、可重入锁、（公平锁|非公平锁）、独占锁

关于几种锁的基本概念暂时先了解到这里，现在有个显而易见的问题，我们说了这么久的锁，这把锁到底存放在什么地方，这把锁到低锁住的是什么，我们经常使用的同步代码块语法： synchronized(this){} 又是什么意思？这一系列问题以及上文提到的synchronized锁优化内容都将会在下一篇文章中详细介绍。

可以卑微如尘土，不可扭曲如蛆虫