樂(lè)觀鎖、悲觀鎖、公平鎖、自旋鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖、鎖膨脹...難理解？不存的！來(lái)，話不多說(shuō)，帶你飆車(chē)。

上一篇介紹了線程池的使用，在享受線程池帶給我們的性能優(yōu)勢(shì)之外，似乎也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題：線程安全的問(wèn)題。

那什么是線程的安全問(wèn)題呢？

一、線程安全問(wèn)題的產(chǎn)生

線程安全問(wèn)題：指的是在多線程編程中，同時(shí)操作同一個(gè)可變的資源之后，造成的實(shí)際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致的問(wèn)題。

比如：A和B同時(shí)向C轉(zhuǎn)賬10萬(wàn)元。如果轉(zhuǎn)賬操作不具有原子性，A在向C轉(zhuǎn)賬時(shí)，讀取了C的余額為20萬(wàn)，然后加上轉(zhuǎn)賬的10萬(wàn)，計(jì)算出此時(shí)應(yīng)該有30萬(wàn)，但還未來(lái)及將30萬(wàn)寫(xiě)回C的賬戶(hù)，此時(shí)B的轉(zhuǎn)賬請(qǐng)求過(guò)來(lái)了，B發(fā)現(xiàn)C的余額為20萬(wàn)，然后將其加10萬(wàn)并寫(xiě)回。然后A的轉(zhuǎn)賬操作繼續(xù)——將30萬(wàn)寫(xiě)回C的余額。這種情況下C的最終余額為30萬(wàn)，而非預(yù)期的40萬(wàn)。

如果上面的內(nèi)容您還沒(méi)有理解，沒(méi)關(guān)系，我們來(lái)看下面非安全線程的模擬代碼：

public class ThreadSafeSample {
    public int number;
    public void add() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            int former = number++;
            int latter = number;
            if (former != latter-1){
                System.out.printf("非相等 former=" +  former + " latter=" + latter);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadSafeSample threadSafeSample = new ThreadSafeSample();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join();
        threadB.join();
    }
}

我電腦運(yùn)行的結(jié)果： 非相等 => former=5555 latter=6061

可以看到，僅僅是兩個(gè)線程的低度并發(fā)，就非常容易碰到 former 和 latter 不相等的情況。這是因?yàn)?，在兩次取值的過(guò)程中，其他線程可能已經(jīng)修改了number.

二、線程安全的解決方案

線程安全的解決方案分為以下幾個(gè)維度（參考《碼出高效：Java開(kāi)發(fā)手冊(cè)》）：

數(shù)據(jù)單線程可見(jiàn)（單線程操作自己的數(shù)據(jù)是不存在線程安全問(wèn)題的，ThreadLocal就是采用這種解決方案）；
數(shù)據(jù)只讀；
使用線程安全類(lèi)（比如StringBuffer就是一個(gè)線程安全類(lèi)，內(nèi)部是使用synchronized實(shí)現(xiàn)的）；
同步與鎖機(jī)制；

解決線程安全核心思想是：“要么只讀，要么加鎖”，解決線程安全的關(guān)鍵在于合理的使用Java提供的線程安全包java.util.concurrent簡(jiǎn)稱(chēng)JUC。

三、線程同步與鎖

Java 5 以前，synchronized是僅有的同步手段，Java 5的時(shí)候增加了ReentrantLock（再入鎖）它的語(yǔ)義和synchronized基本相同，比synchronized更加靈活，可以做到更多的細(xì)節(jié)控制，比如鎖的公平性/非公平性指定。

3.1 synchronized

synchronized 是 Java 內(nèi)置的同步機(jī)制，它提供了互斥的語(yǔ)義和可見(jiàn)性，當(dāng)一個(gè)線程已經(jīng)獲取當(dāng)前鎖時(shí)，其他試圖獲取的線程只能等待或者阻塞在那里。

3.1.1 synchronized 使用

synchronized 可以用來(lái)修飾方法和代碼塊。

3.1.1.1 修飾代碼塊

synchronized (this) {
    int former = number++;
    int latter = number;
    //...
}

3.1.1.2 修飾方法

public synchronized void add() {
    //...
}

3.1.2 synchronized 底層實(shí)現(xiàn)原理

synchronized 是由一對(duì) monitorenter/monitorexit 指令實(shí)現(xiàn)的，Monitor 對(duì)象是同步的基本實(shí)現(xiàn)單元。在 Java 6 之前，Monitor的實(shí)現(xiàn)完全是依靠操作系統(tǒng)內(nèi)部的互斥鎖，因?yàn)樾枰M(jìn)行用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，所以同步操作是一個(gè)無(wú)差別的重量級(jí)操作，性能也很低。但在Java 6的時(shí)候，JVM 對(duì)此進(jìn)行了大刀闊斧地改進(jìn)，提供了三種不同的 Monitor 實(shí)現(xiàn)，也就是常說(shuō)的三種不同的鎖：偏向鎖（Biased Locking）、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖，大大改進(jìn)了其性能。

3.1.2.1 偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖

偏向鎖是為了解決在沒(méi)有多線程的訪問(wèn)下，盡量減少鎖帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)。

輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。

重量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。

3.1.2.2 鎖膨脹（升級(jí)）原理

Java 6 之后優(yōu)化了 synchronized 實(shí)現(xiàn)方式，使用了偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖再升級(jí)到重量級(jí)鎖的方式，減低了鎖帶來(lái)的性能消耗，也就是我們常說(shuō)的鎖膨脹或者叫鎖升級(jí)，那么它是怎么實(shí)現(xiàn)鎖升級(jí)的呢？

鎖膨脹（升級(jí)）原理： 在鎖對(duì)象的對(duì)象頭里面有一個(gè)ThreadId字段，在第一次訪問(wèn)的時(shí)候ThreadId為空，JVM讓其持有偏向鎖，并將ThreadId設(shè)置為其線程id，再次進(jìn)入的時(shí)候會(huì)先判斷ThreadId是否尤其線程id一致，如果一致則可以直接使用，如果不一致，則升級(jí)偏向鎖為輕量級(jí)鎖，通過(guò)自旋循環(huán)一定次數(shù)來(lái)獲取鎖，不會(huì)堵塞，執(zhí)行一定次數(shù)之后就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖，進(jìn)入堵塞，整個(gè)過(guò)程就是鎖膨脹（升級(jí)）的過(guò)程。

3.1.2.3 自旋鎖

自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會(huì)立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點(diǎn)是循環(huán)會(huì)消耗CPU。

3.1.2.4 樂(lè)觀鎖/悲觀鎖

悲觀鎖和樂(lè)觀鎖并不是某個(gè)具體的“鎖”而是一種是并發(fā)編程的基本概念。

悲觀鎖認(rèn)為對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定是會(huì)發(fā)生修改的，哪怕沒(méi)有修改，也會(huì)認(rèn)為修改。因此對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認(rèn)為，不加鎖的并發(fā)操作一定會(huì)出問(wèn)題。

樂(lè)觀鎖則與 Java 并發(fā)包中的 AtomicFieldUpdater 類(lèi)似，也是利用 CAS 機(jī)制，并不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)加鎖，而是通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)的時(shí)間戳或者版本號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖需要的版本判斷。

3.1.2.5 公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來(lái)獲取鎖。

非公平鎖是指多個(gè)線程獲取鎖的順序并不是按照申請(qǐng)鎖的順序，有可能后申請(qǐng)的線程比先申請(qǐng)的線程優(yōu)先獲取鎖。

如果使用 synchronized 使用的是非公平鎖，是不可設(shè)置的，這也是主流操作系統(tǒng)線程調(diào)度的選擇。通用場(chǎng)景中，公平性未必有想象中的那么重要，Java 默認(rèn)的調(diào)度策略很少會(huì)導(dǎo)致 “饑餓”發(fā)生。非公平鎖的吞吐量大于公平鎖。

非公平鎖吞吐量大于公平鎖的原因：

比如A占用鎖的時(shí)候，B請(qǐng)求獲取鎖，發(fā)現(xiàn)被A占用之后，堵塞等待被喚醒，這個(gè)時(shí)候C同時(shí)來(lái)獲取A占用的鎖，如果是公平鎖C后來(lái)者發(fā)現(xiàn)不可用之后一定排在B之后等待被喚醒，而非公平鎖則可以讓C先用，在B被喚醒之前C已經(jīng)使用完成，從而節(jié)省了C等待和喚醒之間的性能消耗，這就是非公平鎖比公平鎖吞吐量大的原因。

3.2 ReentrantLock

ReentrantLock只能修飾代碼塊，使用ReentrantLock必須手動(dòng)unlock釋放鎖，不然鎖永遠(yuǎn)會(huì)被占用。

3.2.1 ReentrantLock 使用

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); // 設(shè)置為true為公平鎖，默認(rèn)是非公平鎖
reentrantLock.lock();
try {

}finally {
    reentrantLock.unlock();
}

3.2.2 ReentrantLock 優(yōu)勢(shì)

具備嘗試非阻塞地獲取鎖的特性：當(dāng)前線程嘗試獲取鎖，如果這一時(shí)刻鎖沒(méi)有被其他線程獲取到，則成功獲取并持有鎖；
能被中斷地獲取鎖的特性：與synchronized不同，獲取到鎖的線程能夠響應(yīng)中斷，當(dāng)獲取到鎖的線程被中斷時(shí)，中斷異常將會(huì)被拋出，同時(shí)鎖會(huì)被釋放；
超時(shí)獲取鎖的特性：在指定的時(shí)間范圍內(nèi)獲取鎖；如果截止時(shí)間到了仍然無(wú)法獲取鎖則返回。

3.2.3 ReentrantLock 注意事項(xiàng)

在finally中釋放鎖，目的是保證在獲取鎖之后，最終能夠被釋放；
不要將獲取鎖的過(guò)程寫(xiě)在try塊內(nèi)，因?yàn)槿绻讷@取鎖時(shí)發(fā)生了異常，異常拋出的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致鎖無(wú)故被釋放；
ReentrantLock提供了一個(gè)newCondition的方法，以便用戶(hù)在同一鎖的情況下可以根據(jù)不同的情況執(zhí)行等待或喚醒的動(dòng)作；

3.3 synchronized和ReentrantLock區(qū)別

從性能角度，synchronized 早期的實(shí)現(xiàn)比較低效，對(duì)比 ReentrantLock，大多數(shù)場(chǎng)景性能都相差較大。但是在 Java 6 中對(duì)其進(jìn)行了非常多的改進(jìn)，在高競(jìng)爭(zhēng)情況下，ReentrantLock 仍然有一定優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)情況下，無(wú)需太糾結(jié)于性能，還是考慮代碼書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)的便利性、可維護(hù)性等。

主要區(qū)別如下：

ReentrantLock使用起來(lái)比較靈活，但是必須有釋放鎖的配合動(dòng)作；
ReentrantLock必須手動(dòng)獲取與釋放鎖，而synchronized不需要手動(dòng)釋放和開(kāi)啟鎖；
ReentrantLock只適用于代碼塊鎖，而synchronized可用于修飾方法、代碼塊等；

參考資料

《碼出高效：Java開(kāi)發(fā)手冊(cè)》

Java核心技術(shù)36講：http://t.cn/EwUJvWA

Java中的鎖分類(lèi)：https://www.cnblogs.com/qifengshi/p/6831055.html

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Java核心（三）并發(fā)中的線程同步與鎖

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一、線程安全問(wèn)題的產(chǎn)生

二、線程安全的解決方案

三、線程同步與鎖

3.1 synchronized

3.1.1 synchronized 使用

3.1.1.1 修飾代碼塊

3.1.1.2 修飾方法

3.1.2 synchronized 底層實(shí)現(xiàn)原理

3.1.2.1 偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖

3.1.2.2 鎖膨脹（升級(jí)）原理

3.1.2.3 自旋鎖

3.1.2.4 樂(lè)觀鎖/悲觀鎖

3.1.2.5 公平鎖/非公平鎖

3.2 ReentrantLock

3.2.1 ReentrantLock 使用

3.2.2 ReentrantLock 優(yōu)勢(shì)

3.2.3 ReentrantLock 注意事項(xiàng)

3.3 synchronized和ReentrantLock區(qū)別

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一、線程安全問(wèn)題的產(chǎn)生

二、線程安全的解決方案

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3.1 synchronized

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3.1.1.1 修飾代碼塊

3.1.1.2 修飾方法

3.1.2 synchronized 底層實(shí)現(xiàn)原理

3.1.2.1 偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖

3.1.2.2 鎖膨脹（升級(jí)）原理

3.1.2.3 自旋鎖

3.1.2.4 樂(lè)觀鎖/悲觀鎖

3.1.2.5 公平鎖/非公平鎖

3.2 ReentrantLock

3.2.1 ReentrantLock 使用

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