018.多线程-悲观锁、乐观锁、重入锁、读写锁、自旋锁、CAS无锁机制

r囧r小猫 2021-10-06 15:38 405阅读 0赞

### 悲观锁（Pessimistic Lock） ###

顾名思义，就是很悲观。每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以都会上锁。这样别人想拿这个数据就会阻塞（block）直到它拿到锁。传统的关系型数据库里面就用到了很多这种锁机制。比如：行锁，表锁，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

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### 乐观锁（Optimistic Lock） ###

顾名思义，就是很乐观。每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁。但是在更新的时候会判断一下，在此期间是否有人去更新这个数据，利用版本号等机制来控制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量。

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### 重入锁 ###

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。  
在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

#### [非重入锁][Link 1] ####

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();
        }
    }

使用该锁，内层函数获取该锁时，将会发生死锁。

public class Count{ 
        Lock lock = new Lock();
        public void print(){ 
            lock.lock();
            doAdd();
            lock.unlock();
        }
        public void doAdd(){ 
            lock.lock();
            //do something
            lock.unlock();
        }
    }

#### 重入锁 ####

public class Lock{ 
        boolean isLocked = false;
        Thread  lockedBy = null;
        int lockedCount = 0;
        public synchronized void lock()
                throws InterruptedException{ 
            Thread thread = Thread.currentThread();
            while(isLocked && lockedBy != thread){ 
                wait();
            }
            isLocked = true;
            lockedCount++;
            lockedBy = thread;
        }
        public synchronized void unlock(){ 
            if(Thread.currentThread() == this.lockedBy){ 
                lockedCount--;
                if(lockedCount == 0){ 
                    isLocked = false;
                    notify();
                }
            }
        }
    }

此时，新增了锁定线程和锁定数量两个参数，  
同一个线程，递归获取该锁，不会发生死锁。

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### 读写锁 ###

多个线程可以同时去读一个共享资源。  
但是如果有一个线程在写这个共享资源，  
此时就不应该再有其它线程对该资源进行读或写。

**读写锁能够保证读取数据的 严格实时性，  
如果不需要这种 严格实时性，那么不需要加读写锁。**

public class Cache { 
    	static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    	static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    	static Lock r = rwl.readLock();
    	static Lock w = rwl.writeLock();
    
    	// 获取一个key对应的value
    	public static final Object get(String key) { 
    		r.lock();
    		try { 
    			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
    			Thread.sleep(100);
    			Object object = map.get(key);
    			System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
    			System.out.println();
    			return object;
    		} catch (InterruptedException e) { 
    
    		} finally { 
    			r.unlock();
    		}
    		return key;
    	}
    
    	// 设置key对应的value，并返回旧有的value
    	public static final Object put(String key, Object value) { 
    		w.lock();
    		try { 
    
    			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
    			Thread.sleep(100);
    			Object object = map.put(key, value);
    			System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
    			System.out.println();
    			return object;
    		} catch (InterruptedException e) { 
    
    		} finally { 
    			w.unlock();
    		}
    		return value;
    	}
    
    	// 清空所有的内容
    	public static final void clear() { 
    		w.lock();
    		try { 
    			map.clear();
    		} finally { 
    			w.unlock();
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) { 
    		new Thread(new Runnable() { 
    
    			@Override
    			public void run() { 
    				for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    					Cache.put(i + "", i + "");
    				}
    
    			}
    		}).start();
    		new Thread(new Runnable() { 
    
    			@Override
    			public void run() { 
    				for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    					Cache.get(i + "");
    				}
    
    			}
    		}).start();
    	}
    }

### CAS（compare and swap）无锁机制 ###

（1）与锁相比，使用**比较交换**（下文简称CAS），由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

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（2）无锁的好处：  
第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；  
第二，它天生就是死锁免疫的。  
就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

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（3）**CAS算法的过程**是这样：**它包含三个参数CAS(V,E,N):  
V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。  
仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，  
如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。  
最后，CAS返回当前V的真实值。**

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（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

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（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。

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（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

/** * Atomically increments by one the current value. * * @return the updated value */  
    	public final int incrementAndGet() {   
    	    for (;;) {   
    	        //获取当前值 
    	        int current = get();  
    	        //设置期望值 
    	        int next = current + 1;  
    	        //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作 
    	        if (compareAndSet(current, next))  
    	            //成功后才会返回期望值，否则无线循环 
    	            return next;  
    	    }  
    	}

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### 自旋锁（spinlock） ###

当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，  
然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

获取锁的线程一直处于活跃状态，但是并没有执行任何有效的任务，使用这种锁会造成busy-waiting。

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

public class SpinLock { 
        private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
        public void lock() { 
            Thread current = Thread.currentThread();
            // 利用CAS
            while (!cas.compareAndSet(null, current)) { 
                // DO nothing
            }
        }
        public void unlock() { 
            Thread current = Thread.currentThread();
            cas.compareAndSet(current, null);
        }
    }

lock（)方法利用的CAS，当第一个线程A获取锁的时候，能够成功获取到，不会进入while循环，  
如果此时线程A没有释放锁，另一个线程B又来获取锁，此时由于不满足CAS，所以就会进入while循环，  
不断判断是否满足CAS，直到A线程调用unlock方法释放了该锁。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/u012545728/article/details/80843595