Lock 与锁机制

5.9.2 `Lock`接口

基本信息
Package java.util.concurrent.locks

public interface Lock

用于控制对共享资源的访问。通常情况下 Lock 仅允许一个线程来访问共享资源，但也有一些特殊的实现类允许并发访问。
Lock 加解锁和 synchronized 有相同的内存语义，下一个线程加锁后可以看到前一个线程解锁前所有操作。
由于 synchronized 具有以下缺点，我们需要 Lock 来强化功能：

效率低。锁释放情况少，获得锁不能设置超时或者中断。
不够灵活。加减锁的时机单一，每个锁只有单一条件。
无法知道是否成功获取到了锁。

分类
根据线程是否锁住同步资源可以分为：

悲观锁、互斥同步锁（锁）
- 缺点：阻塞和唤醒带来性能劣势；可能造成永久阻塞；可能造成优先级反转。
- 优点：就算临界区持锁时间越来越差，对锁的开销影响不大
- 认为如果不对资源进行上锁，就可能会有其他线程争抢而造成数据错误。所以每次获取和修改数据时都先把资源锁住。
- 适合并发写入多的情况；临界区持锁时间长的情况。例如：临界区有 IO 操作；临界区代码复杂循环量大；临界区竞争激烈。
- 例子：synchronized Lock
乐观锁、非互斥同步锁（不锁）
- 缺点：如果自旋时间长或者不停重试，会造成消耗的资源越来越多。
- 认为在线程处理数据时不会有其他线程干扰而不提前对资源锁定。在更新数据时对比修改期间是否有其他线程改动，如果没有则正常操作；如果发现数据不一致则选择放弃、报错、重试等策略。
- 一般利用 CAS 算法实现。
- 适合并发写入少，大部分操作是读取的场景。不加锁可以让读的性能大幅提高。
- 例子：原子类、并发容器

根据多线程能否公用一把锁可以分为：

共享锁（可）
独占锁（不可）

根据多线程竞争是否需要排队可以分为：

公平锁（排队）
优点：每个线程公平处理，在等待一段时间后总有执行机会。
缺点：慢，吞吐量小。
非公平锁（先插队，失败再排队）
优点：避免唤醒期间的空档期而提高效率。
缺点：可能产生线程饥饿（长时间内始终得不到执行）。

根据同一个线程是否可以重复获得同一把锁可以分为：

可重入锁
- 优点：避免死锁；提高封装性。
不可重入锁

根据是否可以中断可分为：

可中断锁
非可中断锁

根据等待锁的过程可以分为：

自旋锁（自旋）
当同步代码内容简单，线程状态转换时间开销比代码执行时间还要长，设计出自旋锁。
让线程状态不变的前提下进行自旋，如果自旋完成后之前锁定的资源已经释放锁，则不必切换状态直接获取资源，避免了切换线程状态的开销。
缺点：如果锁被占用时间过长，自旋线程会浪费处理器资源。虽然自旋开销低于悲观锁，但随着自旋时间的增增长开销也线性增长。
适用于多核处理器的服务器，并发程度不是特别高，临界区小。
非自旋锁（阻塞）
在没有拿到锁的情况下直接阻塞线程。

重要方法

lock()
获取锁。如果锁被其他线程获取则等待。
它不会在遇到异常时自动释放锁，所以我们一般要求在上锁后把业务用 try-finally 包裹，并在 finally 中释放锁。
lock() 不能被中断，如果死锁发生则可能永久等待。
tryLock()
尝试获取锁，如果当前锁没有被其他线程占用则成功获取，返回 true，否则返回 false.
可以根据是否能获取到锁来决定后续程序行为。
方法会立刻返回，不会在拿不到锁时等待（无视公平策略）。
tryLock(long time, TimeUnit unit)
带有超时时间的 tryLock(). 在等待设定时间内拿不到锁则放弃。
lockInterruptibly()
相当于等待时间无限长的 tryLock(), 但是它可以被中断。
unlock()
解锁。

具体实现类
ReentrantLock 类

默认为非公平策略，可设置为公平策略
互斥锁、可重入锁、可中断锁
类似 synchronized 机制，但更加灵活
利用 AQS 算法实现
isHeldByCurrentThread() 查看锁是否被当前线程持有
getQueueLength() 返回正在等待当前锁的队列长度

ReentrantReadWriteLock 类

使用时允许多个线程同时使用统一资源，但只允许一个线程对资源进行写操作
读期间不允许进行写操作，写期间不允许进行读操作
读锁为共享锁，写锁为独享锁
适用于读多写少的场景
插队策略
设置公平策略：private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
不公平策略避免解饿：写锁可以随时尝试插队。读线程可以插队，但需要在等待队列头结点的线程不是写线程时可以插队。
升降级策略
支持降级但不支持升级。若支持升级容易操作死锁，因为假设两个写线程想升级，都需要对方先释放锁，造成死锁。

java

private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static ReentrantReadWriteLock.readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
private static ReentrantReadWriteLock.writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

锁优化
JVM 对锁进行了优化：

自旋锁的自适应：在自旋尝试一段时间后自动转为阻塞所来防止资源消耗过大。
锁消除：对于无需加锁但是加锁的场景，消除掉锁。
锁粗化：频繁对一些资源加锁解锁时，合并相邻的操作进入一个锁中。

使用锁时的启发规则：

缩小同步代码块
尽量不要锁定方法
减少锁使用次数
避免人为制造热点数据
避免锁中包含锁
选择适合的锁和工具类

Lock 与锁机制 ​

5.9.2 Lock接口 ​

Lock 与锁机制

5.9.2 `Lock`接口