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概述

概念

公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個執行緒按照申請鎖的順序來獲取鎖。

非公平鎖是指多個執行緒獲取鎖的順序並不是按照申請鎖的順序，有可能後申請的執行緒比先申請的執行緒優先獲取鎖。有可能，會造成優先順序反轉或者飢餓現象。

對於 Java ReentrantLock而言，通過建構函式指定該鎖是否是公平鎖，預設是非公平鎖。非公平鎖的優點在於吞吐量比公平鎖大。

對於Synchronized而言，也是一種非公平鎖。由於其並不像ReentrantLock是通過 AQS 的來實現執行緒排程，所以並沒有任何辦法使其變成公平鎖。

可重入鎖

可重入鎖又名遞迴鎖，是指在同一個執行緒在外層方法獲取鎖的時候，在進入內層方法會自動獲取鎖。

說的有點抽象，下面會有一個程式碼的示例。對於 Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個可重入鎖，其名字是Re entrant Lock重新進入鎖。對於Synchronized而言,也是一個可重入鎖。可重入鎖的一個好處是可一定程度避免死鎖。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}
 

上面的程式碼就是一個可重入鎖的一個特點，如果不是可重入鎖的話，setB 可能不會被當前執行緒執行，可能造成死鎖。

獨享鎖/共享鎖

獨享鎖是指該鎖一次只能被一個執行緒所持有。

共享鎖是指該鎖可被多個執行緒所持有。

對於 Java ReentrantLock而言，其是獨享鎖。但是對於 Lock 的另一個實現類ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫鎖是獨享鎖。讀鎖的共享鎖可保證併發讀是非常高效的，讀寫，寫讀 ，寫寫的過程是互斥的。獨享鎖與共享鎖也是通過 AQS 來實現的，通過實現不同的方法，來實現獨享或者共享。對於Synchronized而言，當然是獨享鎖。

互斥鎖/讀寫鎖

上面講的獨享鎖/共享鎖就是一種廣義的說法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實現。互斥鎖在 Java 中的具體實現就是ReentrantLock 讀寫鎖在 Java 中的具體實現就是ReadWriteLock

樂觀鎖/悲觀鎖

樂觀鎖與悲觀鎖不是指具體的什麼型別的鎖，而是指看待併發同步的角度。悲觀鎖認為對於同一個資料的併發操作，一定是會發生修改的，哪怕沒有修改，也會認為修改。因此對於同一個資料的併發操作，悲觀鎖採取加鎖的形式。悲觀的認為，不加鎖的併發操作一定會出問題。樂觀鎖則認為對於同一個資料的併發操作，是不會發生修改的。在更新資料的時候，會採用嘗試更新，不斷重新的方式更新資料。樂觀的認為，不加鎖的併發操作是沒有事情的。

從上面的描述我們可以看出，悲觀鎖適合寫操作非常多的場景，樂觀鎖適合讀操作非常多的場景，不加鎖會帶來大量的效能提升。悲觀鎖在 Java 中的使用，就是利用各種鎖。樂觀鎖在 Java 中的使用，是無鎖程式設計，常常採用的是 CAS 演算法，典型的例子就是原子類，通過 CAS 自旋實現原子操作的更新。

分段鎖

分段鎖其實是一種鎖的設計，並不是具體的一種鎖，對於ConcurrentHashMap而言，其併發的實現就是通過分段鎖的形式來實現高效的併發操作。我們以ConcurrentHashMap來說一下分段鎖的含義以及設計思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為 Segment，它即類似於 HashMap（JDK7 與 JDK8 中 HashMap 的實現）的結構，即內部擁有一個 Entry 陣列，陣列中的每個元素既是一個連結串列；同時又是一個 ReentrantLock（Segment 繼承了 ReentrantLock)。當需要 put 元素的時候，並不是對整個 hashmap 進行加鎖，而是先通過 hashcode 來知道他要放在那一個分段中，然後對這個分段進行加鎖，所以當多執行緒 put 的時候，只要不是放在一個分段中，就實現了真正的並行的插入。但是，在統計 size 的時候，可就是獲取 hashmap 全域性資訊的時候，就需要獲取所有的分段鎖才能統計。分段鎖的設計目的是細化鎖的粒度，當操作不需要更新整個陣列的時候，就僅僅針對陣列中的一項進行加鎖操作。

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

這三種鎖是指鎖的狀態，並且是針對Synchronized。在 Java 5 通過引入鎖升級的機制來實現高效Synchronized。

這三種鎖的狀態是通過物件監視器在物件頭中的欄位來表明的。

偏向鎖是指一段同步程式碼一直被一個執行緒所訪問，那麼該執行緒會自動獲取鎖。降低獲取鎖的代價。

輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候，被另一個執行緒所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他執行緒會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提高效能。

重量級鎖是指當鎖為輕量級鎖的時候，另一個執行緒雖然是自旋，但自旋不會一直持續下去，當自旋一定次數的時候，還沒有獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓其他申請的執行緒進入阻塞，效能降低。

自旋鎖

在 Java 中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的執行緒不會立即阻塞，而是採用迴圈的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少執行緒上下文切換的消耗，缺點是迴圈會消耗 CPU。

為什麼用 Lock、ReadWriteLock

• synchronized 的缺陷

  • 被 synchronized 修飾的方法或程式碼塊，只能被一個執行緒訪問。如果這個執行緒被阻塞，其他執行緒也只能等待。
  • synchronized 不能響應中斷。
  • synchronized 沒有超時機制。
  • synchronized 只能是非公平鎖。

• Lock、ReadWriteLock 相較於 synchronized，解決了以上的缺陷：

  • Lock 可以手動釋放鎖（synchronized 獲取鎖和釋放鎖都是自動的），以避免死鎖。
  • Lock 可以響應中斷
  • Lock 可以設定超時時間，避免一致等待
  • Lock 可以選擇公平鎖或非公平鎖兩種模式
  • ReadWriteLock 將讀寫鎖分離，從而使讀寫操作分開，有效提高併發性。

Lock 和 ReentrantLock

要點

如果採用 Lock，必須主動去釋放鎖，並且在發生異常時，不會自動釋放鎖。因此一般來說，使用 Lock 必須在 try catch 塊中進行，並且將釋放鎖的操作放在 finally 塊中進行，以保證鎖一定被被釋放，防止死鎖的發生。

lock() 方法的作用是獲取鎖。如果鎖已被其他執行緒獲取，則進行等待。

tryLock() 方法的作用是嘗試獲取鎖，如果成功，則返回 true；如果失敗（即鎖已被其他執行緒獲取），則返回 false。也就是說，這個方法無論如何都會立即返回，獲取不到鎖時不會一直等待。

tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法和 tryLock() 方法是類似的，區別僅在於這個方法在獲取不到鎖時會等待一定的時間，在時間期限之內如果還獲取不到鎖，就返回 false。如果如果一開始拿到鎖或者在等待期間內拿到了鎖，則返回 true。

lockInterruptibly() 方法比較特殊，當通過這個方法去獲取鎖時，如果執行緒正在等待獲取鎖，則這個執行緒能夠響應中斷，即中斷執行緒的等待狀態。也就使說，當兩個執行緒同時通過 lock.lockInterruptibly() 想獲取某個鎖時，假若此時執行緒 A 獲取到了鎖，而執行緒 B 只有在等待，那麼對執行緒 B 呼叫 threadB.interrupt() 方法能夠中斷執行緒 B 的等待過程。由於 lockInterruptibly() 的宣告中丟擲了異常，所以 lock.lockInterruptibly() 必須放在 try 塊中或者在呼叫 lockInterruptibly() 的方法外宣告丟擲 InterruptedException。

注意：當一個執行緒獲取了鎖之後，是不會被 interrupt() 方法中斷的。因為本身在前面的文章中講過單獨呼叫 interrupt() 方法不能中斷正在執行過程中的執行緒，只能中斷阻塞過程中的執行緒。因此當通過 lockInterruptibly() 方法獲取某個鎖時，如果不能獲取到，只有進行等待的情況下，是可以響應中斷的。

unlock() 方法的作用是釋放鎖。

ReentrantLock 是唯一實現了 Lock 介面的類。

ReentrantLock 字面意為可重入鎖。

原始碼

Lock 介面定義

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

ReentrantLock 屬性和方法

ReentrantLock 的核心方法當然是 Lock 中的方法（具體實現完全基於 Sync 類中提供的方法）。

此外，ReentrantLock 有兩個構造方法，功能參考下面原始碼片段中的註釋。

// 同步機制完全依賴於此
private final Sync sync;
// 預設初始化 sync 的例項為非公平鎖（NonfairSync）
public ReentrantLock() {}
// 根據 boolean 值選擇初始化 sync 的例項為公平的鎖（FairSync）或不公平鎖（NonfairSync）
public ReentrantLock(boolean fair) {}

Sync

• Sync 類是 ReentrantLock 的內部類，也是一個抽象類。
• ReentrantLock 的同步機制幾乎完全依賴於Sync。使用 AQS 狀態來表示鎖的保留數（詳細介紹參見 AQS）。
• Sync 是一個抽象類，有兩個子類：
  • FairSync - 公平鎖版本。
  • NonfairSync - 非公平鎖版本。

示例

public class ReentrantLockDemo {

    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        final ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
        new Thread(() -> demo.insert(Thread.currentThread())).start();
        new Thread(() -> demo.insert(Thread.currentThread())).start();
    }

    private void insert(Thread thread) {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName() + "得到了鎖");
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                arrayList.add(i);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(thread.getName() + "釋放了鎖");
            lock.unlock();
        }
    }
}