java锁的种类以及辨析

转载自： http://ifeve.com/java_lock_see1/

　　锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利，但是锁的具体性质以及类型却很少被提及。本系列文章将分析JAVA下常见的锁名称以及特性，为大家答疑解惑。

一、自旋锁

　　自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。如下

public class SpinLock {

private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
while(!sign .compareAndSet(null, current)){
}
}

public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
sign .compareAndSet(current, null);
}
}

　　使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

　　当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

　　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。

注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。

二、自旋锁的其他种类

　　在自旋锁中 另有三种常见的锁形式：TicketLock ，CLHlock 和MCSlock。

　　Ticket锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核cpu上

package com.alipay.titan.dcc.dal.entity;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {
private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
private AtomicInteger ticketNum  = new AtomicInteger();
private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL = new ThreadLocal<Integer>();

public void lock() {
int myticket = ticketNum.getAndIncrement(); //拿到票据，拿到越小票据的线程就越早执行。
LOCAL.set(myticket);
while (myticket != serviceNum.get()) {
//每一个线程在这自旋的时候，都需要查询一个当前已经执行到的服务号
}

}

public void unlock() {
int myticket = LOCAL.get();
serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);
}
}

　　每次都要查询一个serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他cpu修改）。

CLHLock 和MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class CLHLock {
public static class CLHNode {
private volatile boolean isLocked = true;
}

@SuppressWarnings("unused")
private volatile CLHNode tail;
private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock,CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class, CLHNode.class,"tail");

public void lock() {
CLHNode node = new CLHNode();
LOCAL.set(node);
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
if (preNode != null) {
while (preNode.isLocked) {
}
preNode = null;
LOCAL.set(node);
}
}

public void unlock() {
CLHNode node = LOCAL.get();
if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
node.isLocked = false;
}
node = null;
}
}

　　CLHlock是不停的查询前驱变量， 导致不适合在NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）

　　MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class MCSLock {
public static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean isLocked = true;
}

private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();
@SuppressWarnings("unused")
private volatile MCSNode queue;
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class,                                                                     MCSNode.class, "queue");

public void lock() {
MCSNode currentNode = new MCSNode();
NODE.set(currentNode);
MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
if (preNode != null) {
preNode.next = currentNode;
while (currentNode.isLocked) {

}
}
}

public void unlock() {
MCSNode currentNode = NODE.get();
if (currentNode.next == null) {
if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {

} else {
while (currentNode.next == null) {
}
}
} else {
currentNode.next.isLocked = false;
currentNode.next = null;
}
}
}

　　从代码上 看，CLH 要比 MCS 更简单，CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性；MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性；JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁 即是 CLH锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。

三、阻塞锁

　　阻塞锁，与自旋锁不同，改变了线程的运行状态。

　　在JAVA环境中，线程Thread有如下几个状态：

　1．新建状态

　2．就绪状态

　3．运行状态

　4．阻塞状态

　5．死亡状态

　　阻塞锁，可以说是让线程进入阻塞状态进行等待，当获得相应的信号（唤醒，时间） 时，才可以进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。

　　JAVA中，能够进入\退出、阻塞状态或包含阻塞锁的方法有 ，synchronized 关键字（其中的重量锁），ReentrantLock，Object.wait()\notify(),LockSupport.park()/unpart()(j.u.c经常使用)

下面是一个JAVA 阻塞锁实例：

package lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class CLHLock1 {
public static class CLHNode {
private volatile Thread isLocked;
}

@SuppressWarnings("unused")
private volatile CLHNode tail;
private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL   = new ThreadLocal<CLHNode>();
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock1,CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock1.class,                                                      CLHNode.class, "tail");

public void lock() {
CLHNode node = new CLHNode();
LOCAL.set(node);
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
if (preNode != null) {
preNode.isLocked = Thread.currentThread();
LockSupport.park(this);
preNode = null;
LOCAL.set(node);
}
}

public void unlock() {
CLHNode node = LOCAL.get();
if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
System.out.println("unlock\t" + node.isLocked.getName());
LockSupport.unpark(node.isLocked);
}
node = null;
}
}

　　在这里我们使用了LockSupport.unpark()的阻塞锁。 该例子是将CLH锁修改而成。

　　阻塞锁的优势在于，阻塞的线程不会占用cpu时间， 不会导致 CPu占用率过高，但进入时间以及恢复时间都要比自旋锁略慢。

　　在竞争激烈的情况下 阻塞锁的性能要明显高于 自旋锁。

　　理想的情况则是; 在线程竞争不激烈的情况下，使用自旋锁，竞争激烈的情况下使用，阻塞锁。

四、可重入锁：

　　本文里面讲的是广义上的可重入锁，而不是单指JAVA下的ReentrantLock。

　　可重入锁，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。

下面是使用实例：

public class Test implements Runnable{

public synchronized void get(){
System.out.println(Thread.currentThread().getId());
set();
}

public synchronized void set(){
System.out.println(Thread.currentThread().getId());
}

@Override
public void run() {
get();
}
public static void main(String[] args) {
Test ss=new Test();
new Thread(ss).start();
new Thread(ss).start();
new Thread(ss).start();
}
}

public class Test implements Runnable {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void get() {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getId());
set();
lock.unlock();
}

public void set() {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getId());
lock.unlock();
}

@Override
public void run() {
get();
}

public static void main(String[] args) {
Test ss = new Test();
new Thread(ss).start();
new Thread(ss).start();
new Thread(ss).start();
}
}

两个例子最后的结果都是正确的，即 同一个线程id被连续输出两次。

结果如下：

Threadid: 8
Threadid: 8
Threadid: 10
Threadid: 10
Threadid: 9
Threadid: 9

可重入锁最大的作用是避免死锁。

我们以自旋锁作为例子，

public class SpinLock {
private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
while(!owner.compareAndSet(null, current)){
}
}
public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
owner.compareAndSet(current, null);
}
}

对于自旋锁来说：

　1、若有同一线程两调用lock() ，会导致第二次调用lock位置进行自旋，产生了死锁

说明这个锁并不是可重入的。（在lock函数内，应验证线程是否为已经获得锁的线程）

　2、若1问题已经解决，当unlock（）第一次调用时，就已经将锁释放了。实际上不应释放锁。

（采用计数次进行统计）

修改之后，如下：

public class SpinLock1 {
private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
private int count =0;
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
if(current==owner.get()) {
count++;
return ;
}

while(!owner.compareAndSet(null, current)){

}
}
public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
if(current==owner.get()){
if(count!=0){
count--;
}else{
owner.compareAndSet(current, null);
}

}

}
}

该自旋锁即为可重入锁。