【多线程】锁策略

编程入门行业动态更新时间:2024-10-07 20:30:07

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【多线程】锁策略

1. 说在前面

这里的锁策略内容，属于典型的面试八股文！如果未来工作，需要实现一把锁，那么得好好研究下锁策略，但基本上不会让我们自己设计一把锁的。

而这里的锁策略内容不局限于 Java，任何 "锁" 相关的话题都是可以应用本节锁策略的！

对于咱们来说，了解下锁策略也不是坏事，对于合理使用锁也是有点帮助的。

2. 常见的锁策略

2.1 乐观锁和悲观锁

乐观锁：预测锁竞争不是很激烈(做的工作相对更少)

悲观锁：预测锁竞争特别的激烈(做的工作相对更多)

如何理解乐观锁和悲观锁？

乐观锁又乐观在哪呢？乐观锁会假设数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式的对数据是否产生冲突而发生检测，如果并发冲突了，返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。

悲观锁又悲观在哪呢？悲观锁每次都会假设是最坏的情况，所以每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞等待！

上述干巴巴的叙述感觉还是很抽象，这里我们举一个现实中的例子吧：

我每天很忙，假设这时候有个妹子想找我陪她去逛街，那么妹子如何跟我表达她内心的想法呢？妹子有两种方案：

● 妹子并不觉得我很忙，觉得我肯定有时间能陪她逛街，所以妹子就直接来找我了(没有加锁，直接访问资源)，如果我此时确实闲着了，那么就能直接陪这个妹子逛街了，如果我现在很忙，妹子来了后看见我在忙，就不会打扰我了，就会过一会再来找我(虽然没加锁, 但是能识别出数据访问冲突) 这就是乐观锁。

● 妹子是一个谨慎的妹子，总觉得我天天很忙，可能没时间陪她逛街，于是在找我之前，就给我发个消息："你现在有时间没我逛街吗？"(相当于尝试加锁)，如果我现在闲着，肯定会回复她有时间，于是等得到我的答复后，她才会过来找我逛街，如果我很忙，那就自然拒绝她了，那她就会等一段时间再来发消息问问我有没有时间陪她逛街，这就是悲观锁。

对于乐观锁和悲观锁，谁好谁坏具体看场景需求，具体在后面介绍 synchronized 章节介绍。

2.2 轻量级锁和重量级锁

轻量级锁：加锁解锁开销比较小，效率更高，多数情况下，乐观锁也是一种轻量级锁

重量级锁：加锁解锁开销比较大，效率更低，多数情况下，悲观锁也是一种重量级锁

在了解轻量级锁和重量级锁之前，我们需要理解为什么锁能保证原子性？

锁能保证原子性，追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的机制。

首先 CPU 提供了 "原子操作指令"，操作系统基于 CPU 的原子指令，实现了 mutex 互斥锁，JVM 基于操作系统提供的 mutex 互斥锁，实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类。

那么问题来了，轻量级锁相较于重量级锁，为什么轻在加锁解锁上？

轻量级锁加锁机制尽可能不使用 mutex，也就是不适用操作系统提供的互斥锁，而是尽量在用户态代码完成加锁解锁操作，实在搞不定，再使用 mutex，这样一来，就会进行少量的内核态和用户态切换，不太容易引发线程调度。

重量级锁加锁机制重度依赖了操作系统提供的 mutex，这样会大量引起内核态用户态切换，也很容易引发线程的调度，前面我们讲解线程池的时候，也了解过用户态是可控的，所以重量级锁的成本会更高，涉及到交给内核办事，就意味着，你不知道内核身上背负着多少的任务，效率自然也就不明确了。

2.3 自旋锁和挂起等待锁

自旋锁是一种典型的轻量级锁，挂起等待锁是一种典型的重量级锁。

如何理解这两把锁呢，此时举一个形象的例子来方便大家理解：

有一个痴情小伙，准备跟心系已久的妹子表白(想对妹子加锁)，没想到被妹子发了好人卡，原因居然是妹子已经有男朋友了(被其他人加锁了)。

这个小伙子虽然被妹子拒绝了，但是小伙很坚强！心里不甘！于是就想着妹子分手后他去上位！

此时妹子还在谈恋爱呢，小伙子是干等着吗？不一定！小伙子此时就有两种做法：

每天都跟妹子聊天，有事没事给妹子点外卖请喝奶茶，这样一来，一旦妹子分手了，由于小伙子天天与妹子聊天，所以小伙是能第一时间知道妹子分手的，也就是一旦锁被释放，就能第一时间感知到，从而有机会获取到锁，很明显这样很舔，也就相当于随时都在被 CPU 调用，随时都在判断锁有没有被释放，显然占用了大量的系统资源，这就是自旋锁。

小伙子被妹子拒绝了后，就默默在心里爱着她，默默的等着她，也不打扰妹子的恋爱生活，只是想着有一天妹子分手了，再去追求，过了一段时间，妹子分手了(锁被释放)，可能会想起来这个小伙子，这时小伙子才有可能获取到锁，但是由于小伙子默默无闻，所以妹子大概率已经把小伙子给忘了，等想起来小伙子的时候，可能又谈了好几个男朋友了，这样的小伙子没有无时无刻在关注妹子是否分手，就相当于减少了对 CPU 的占用率，减少的时间 CPU 能去干其他事，但是啥时候能获取到锁，大概率是没有自旋锁来的快，这就是挂起等待锁！

2.4 互斥锁和读写锁

互斥锁就是前面学习过的 synchronized 这样的锁，提供加锁和解锁，如果一个线程对 A 加锁了，另一个线程也尝试对 A 加锁，此时就会阻塞等待。

读写锁见名知意，执行加锁的时候，需要额外表明读写意图，一个线程对于数据的访问，主要是存在两个操作：读数据和写数据。

两个线程同时读一个数据，并没有线程安全问题！

两个线程都去写一个数据，是有线程安全问题的！

一个线程读，一个线程写同一个数据，是有线程安全问题的！

读写锁就是把读操作和写操作区别对待了，Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 类，实现了读写锁。

通过 ReentrantReadWriteLock 对象里的方法，可以获取读锁和写锁！

针对读加锁：ReentrantReadWriteLock.ReadLock，这个类表示了一个读锁，提供了 lock 和 unlock 方法进行加锁和解锁。

针对写加锁：ReentrantReadWriteLock.WriteLock，这个类表示了一个写锁，提供了 lock 和 unlock 方法进行加锁和解锁。

这里我们用两个线程尝试都就加读锁，看看会不会有互斥效果：


public static void main(String[] args) {ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();// readLock 是一个读锁, 提供 lock() 加锁, unlock() 解锁// reentrantReadWriteLock.readLock(); 获取读锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();Thread t1 = new Thread(() -> {readLock.lock();System.out.println("t1 针对读加锁了");try {Thread.sleep(10_000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}readLock.unlock();});Thread t2 = new Thread(() -> {readLock.lock();System.out.println("t2 针对读加锁了");readLock.lock();});t1.start();t2.start();
}

上述代码，一执行 t1 线程就会对 reentrantReadWriteLock 对象加读锁，然后打印，接着休眠 10s，再解锁，此时如果发生锁互斥，t2 就得等 t1.unlock() 之后才能执行 readLock.lock() 加锁操作，才能接着往后执行。

但是实际上 t2 并不用等 t1 解锁后才能加锁，因为 t1 和 t2 都是加的读锁，不会产生互斥！所以 t1 和 t2 是并发执行的！并不会受到加锁的影响，所以执行代码会发现 t2 并不会由于没有竞争到锁而阻塞等待，而是与 t1 并发执行！

那么一个线程加读锁，一个线程加写锁，是否会产生互斥呢？


public static void main(String[] args) {ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();// readLock 是一个读锁, 提供 lock() 加锁, unlock() 解锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();// writeLock 是一个读锁, 提供 lock() 加锁, unlock() 解锁ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();Thread t1 = new Thread(() -> {readLock.lock();System.out.println("t1 针对读加锁了");try {Thread.sleep(10_000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("t1 解锁了!");readLock.unlock();});Thread t2 = new Thread(() -> {writeLock.lock();System.out.println("t2 针对写加锁了");writeLock.lock();});t1.start();t2.start();
}

这段代码就是 t1 线程对 reentrantReadWriteLock 加读锁，t2 线程对 reentrantReadWriteLock 加写锁，执行上述代码，t1 已经加读锁了，此时 t2 想加上写锁就得等！等 t1 执行到 readLock.unlock() 把这个 reentrantReadWriteLock 的读锁给释放了(解锁)，此时 t2 才能加锁！

所以执行上述程序，就会发现，t1 执行完了，t2 才能加上写锁并往后执行代码。所以加写锁和读锁之间，存在互斥！

解答疑问：

可能看到这，有些小伙伴还有点懵，什么读锁，写锁的，这里我们一定要弄清楚，这里的读锁和写锁是从哪来的！

是通过这个类： ReentrantReadWriteLock ，实例化的对象，调用对应方法，来获取一个能加锁解锁的对象的，如果调用 readLock() 就能得到读锁，如果调用 writeLock() 就会得到写锁，所以我们上述说加读锁，加写锁，本质都是对 ReentrantReadWriteLock 实例出来的对象进行加读锁或写锁！

那么 t1 加写锁，t2 加写锁，是否也会互斥呢？也是会的！具体大家可以下来自行实验下！