社区编辑申请
注册/登录
聊聊 13 种锁的实现方式
开发 前端
分布式系统时代,线程并发,资源抢占,"锁" 慢慢变得很重要。那么常见的锁都有哪些?今天Tom哥就和大家简单聊聊这个话题。

最近有很多小伙伴给我留言,分布式系统时代,线程并发,资源抢占,"锁" 慢慢变得很重要。那么常见的锁都有哪些?

今天Tom哥就和大家简单聊聊这个话题。

1、悲观锁

正如其名,它是指对数据修改时持保守态度,认为其他人也会修改数据。因此在操作数据时,会把数据锁住,直到操作完成。悲观锁大多数情况下依靠数据库的锁机制实现,以保证操作最大程度的独占性。如果加锁的时间过长,其他用户长时间无法访问,影响程序的并发访问性,同时这样对数据库性能开销影响也很大,特别是长事务而言,这样的开销往往无法承受。

如果是单机系统,我们可以采用 JAVA 自带的 synchronized 关键字,通过添加到方法或同步块上,锁住资源 如果是分布式系统,我们可以借助数据库自身的锁机制来实现。

select * from 表名 where id= #{id} for update

使用悲观锁的时候,我们要注意锁的级别,MySQL innodb 在加锁时,只有明确的指定主键或(索引字段)才会使用 行锁;否则,会执行 表锁,将整个表锁住,此时性能会很差。在使用悲观锁时,我们必须关闭 MySQL 数据库的自动提交属性,因为mysql默认使用自动提交模式。悲观锁适用于写多的场景,而且并发性能要求不高。

2、乐观锁

乐观锁,从字面意思也能猜到个大概,在操作数据时非常乐观,认为别人不会同时修改数据,因此乐观锁不会上锁 只是在 提交更新 时,才会正式对数据的冲突与否进行检测。如果发现冲突了,则返回错误信息,让用户决定如何去做,fail-fast 机制 。否则,执行本次操作。

分为三个阶段:数据读取、写入校验、数据写入。

如果是单机系统,我们可以基于JAVA 的 CAS来实现,CAS 是一种原子操作,借助硬件的比较并交换来实现。

如果是分布式系统,我们可以在数据库表中增加一个 版本号 字段,如:version。

update  
set ... , version = version +1
where id= #{id} and version = #{version}

操作前,先读取记录的版本号,更新时,通过SQL语句比较版本号是否一致。如果一致,则更新数据。否则会再次读取版本,重试上面的操作。

3、分布式锁

JAVA 中的 synchronized 、ReentrantLock 等,都是解决单体应用单机部署的资源互斥问题。随着业务快速发展,当单体应用演化为分布式集群后,多线程、多进程分布在不同的机器上,原来的单机并发控制锁策略失效

此时我们需要引入 分布式锁,解决跨机器的互斥机制来控制共享资源的访问。

分布式锁需要具备哪些条件:

  • 与单机系统一样的资源互斥功能,这是锁的基础
  • 高性能获取、释放锁
  • 高可用
  • 具备可重入性
  • 有锁失效机制,防止死锁
  • 非阻塞,不管是否获得锁,要能快速返回

实现方式多种多样,基于 数据库、Redis、以及 Zookeeper等,这里讲下主流的基于Redis的实现方式:

加锁:

SET key unique_value  [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]

通过原子命令,如果执行成功返回 1,则表示加锁成功。注意:unique_value 是客户端生成的唯一标识,区分来自不同客户端的锁操作 解锁要特别注意,先判断 unique_value 是不是加锁的客户端,是的话才允许解锁删除。毕竟我们不能删除其他客户端加的锁。

解锁:解锁有两个命令操作,需要借助 Lua 脚本来保证原子性。

// 先比较 unique_value 是否相等,避免锁的误释放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end

借助 Redis 的高性能,Redis 实现分布式锁也是目前主流实现方式。但任何事情有利有弊,如果加锁的服务器宕机了,当slave 节点还没来得及数据备份,那不是别的客户端也可以获得锁。

为了解决这个问题,Redis 官方设计了一个分布式锁 Redlock。

基本思路:让客户端与多个独立的 Redis 节点并行请求申请加锁,如果能在半数以上的节点成功地完成加锁操作,那么我们就认为,客户端成功地获得分布式锁,否则加锁失败。

4、可重入锁

可重入锁,也叫做递归锁,是指在同一个线程在调外层方法获取锁的时候,再进入内层方法会自动获取锁。

对象锁或类锁内部有计数器,一个线程每获得一次锁,计数器 +1;解锁时,计数器 -1。

有多少次加锁,就要对应多少次解锁,加锁与解锁成对出现。

Java 中的 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

5、自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地在循环体内执行,当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区。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。但当线程数不断增加时,性能下降明显,因为每个线程都需要执行,会占用CPU时间片。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。

自旋锁缺点:

  • 可能引发死锁。
  • 可能占用 CPU 的时间过长。

我们可以设置一个 循环时间 或 循环次数,超出阈值时,让线程进入阻塞状态,防止线程长时间占用 CPU 资源。JUC 并发包中的 CAS 就是采用自旋锁,compareAndSet 是CAS操作的核心,底层利用Unsafe对象实现的。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}

如果内存中 var1 对象的var2字段值等于预期的 var5,则将该位置更新为新值(var5 + var4),否则不进行任何操作,一直重试,直到操作成功为止。

CAS 包含了Compare和Swap 两个操作,如何保证原子性呢?CAS 是由 CPU 支持的原子操作,其原子性是在硬件层面进行控制。

特别注意,CAS 可能导致 ABA 问题,我们可以引入递增版本号来解决。

6、独享锁

独享锁,也有人叫它排他锁。无论读操作还是写操作,只能有一个线程获得锁,其他线程处于阻塞状态。

缺点:读操作并不会修改数据,而且大部分的系统都是 读多写少,如果读读之间互斥,大大降低系统的性能。下面的 共享锁 会解决这个问题。

像Java中的 ReentrantLock 和 synchronized 都是独享锁。

7、共享锁

共享锁是指允许多个线程同时持有锁,一般用在读锁上。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的。读写,写读 ,写写的则是互斥的。独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。

ReentrantReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。

8、读锁/写锁

如果对某个资源是读操作,那多个线程之间并不会相互影响,可以通过添加读锁实现共享。如果有修改动作,为了保证数据的并发安全,此时只能有一个线程获得锁,我们称之为 写锁。读读是共享的;而 读写、写读 、写写 则是互斥的。

像 Java中的 ReentrantReadWriteLock 就是一种 读写锁。

9、公平锁/非公平锁

公平锁:多个线程按照申请锁的顺序去获得锁,所有线程都在队列里排队,先来先获取的公平性原则。

优点:所有的线程都能得到资源,不会饿死在队列中。

缺点:吞吐量会下降很多,队列里面除了第一个线程,其他的线程都会阻塞,CPU 唤醒下一个阻塞线程有系统开销。

图片图片

非公平锁:多个线程不按照申请锁的顺序去获得锁,而是同时以插队方式直接尝试获取锁,获取不到(插队失败),会进入队列等待(失败则乖乖排队),如果能获取到(插队成功),就直接获取到锁。

优点:可以减少 CPU 唤醒线程的开销,整体的吞吐效率会高点。

缺点:可能导致队列中排队的线程一直获取不到锁或者长时间获取不到锁,活活饿死。

Java 多线程并发操作,我们操作锁大多时候都是基于 Sync 本身去实现的,而 Sync 本身却是 ReentrantLock 的一个内部类,Sync 继承 AbstractQueuedSynchronizer。

像 ReentrantLock 默认是非公平锁,我们可以在构造函数中传入 true,来创建公平锁。

public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

10、可中断锁/不可中断锁

可中断锁:指一个线程因为没有获得锁在阻塞等待过程中,可以中断自己阻塞的状态。不可中断锁:恰恰相反,如果锁被其他线程获取后,当前线程只能阻塞等待。如果持有锁的线程一直不释放锁,那其他想获取锁的线程就会一直阻塞。

内置锁 synchronized 是不可中断锁,而 ReentrantLock 是可中断锁。

ReentrantLock获取锁定有三种方式:

  • lock(), 如果获取了锁立即返回,如果别的线程持有锁,当前线程则一直处于阻塞状态,直到该线程获取锁。
  • tryLock(), 如果获取了锁立即返回true,如果别的线程正持有锁,立即返回false。
  • tryLock(long timeout,TimeUnit unit), 如果获取了锁定立即返回true,如果别的线程正持有锁,会等待参数给定的时间,在等待的过程中,如果获取了锁定,就返回true,如果等待超时,返回false。
  • lockInterruptibly(),如果获取了锁定立即返回;如果没有获取锁,线程处于阻塞状态,直到获取锁或者线程被别的线程中断。

更多:https://github.com/aalansehaiyang/p-java-proof/blob/master/resource/17.md。

11、分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,目的是细化锁的粒度,并不是具体的一种锁,对于ConcurrentHashMap 而言,其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap(JDK7 中HashMap的实现)的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候,并不是对整个HashMap加锁,而是先通过hashcode知道要放在哪一个分段中,然后对这个分段加锁,所以当多线程put时,只要不是放在同一个分段中,可支持并行插入。

12、锁升级(无锁|偏向锁|轻量级锁|重量级锁)

JDK 1.6之前,synchronized 还是一个重量级锁,效率比较低。但是在JDK 1.6后,JVM为了提高锁的获取与释放效率对 synchronized 进行了优化,引入了偏向锁和轻量级锁 ,从此以后锁的状态就有了四种:无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。这四种状态会随着竞争的情况逐渐升级,而且是不可降级。

图片

图片

无锁

无锁并不会对资源锁定,所有的线程都可以访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功。也就是我们常说的乐观锁。

偏向锁

偏向于第一个访问锁的线程,初次执行synchronized代码块时,通过 CAS 修改对象头里的锁标志位,锁对象变成偏向锁。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时,会在 Mark Word 里存储锁偏向的线程 ID。在线程进入和退出同步块时不再通过 CAS 操作来加锁和解锁,而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令,而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令即可。

执行完同步代码块后,线程并不会主动释放偏向锁。当线程第二次再执行同步代码块时,线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己(持有锁的线程ID也在对象头里),如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁,这里不需要重新加锁,偏向锁几乎没有额外开销,性能极高。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁,线程是不会主动释放偏向锁的。关于偏向锁的撤销,需要等待全局安全点,即在某个时间点上没有字节码正在执行时,它会先暂停拥有偏向锁的线程,然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态,并撤销偏向锁,恢复到无锁(标志位为01)或轻量级锁(标志位为00)的状态。

偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时,即不存在多个线程的竞争时,那么该线程在后续访问时便会自动获得锁,从而降低获取锁带来的消耗。

轻量级锁

当前锁是偏向锁,此时有多个线程同时来竞争锁,偏向锁就会升级为轻量级锁。轻量级锁认为虽然竞争是存在的,但是理想情况下竞争的程度很低,通过自旋方式来获取锁。

轻量级锁的获取有两种情况:

  • 当关闭偏向锁功能时。
  • 多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。一旦有第二个线程加入锁竞争,偏向锁就升级为轻量级锁(自旋锁)。

在轻量级锁状态下继续锁竞争,没有抢到锁的线程将自旋,不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作,其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。先比较当前锁标志位是否为“释放”,如果是则将其设置为“锁定”,此过程是原子性。如果抢到锁,然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。

重量级锁

如果线程的竞争很激励,线程的自旋超过了一定次数(默认循环10次,可以通过虚拟机参数更改),将轻量级锁升级为重量级锁(依然是 CAS  修改锁标志位,但不修改持有锁的线程ID),当后续线程尝试获取锁时,发现被占用的锁是重量级锁,则直接将自己挂起(而不是忙等),等待将来被唤醒。

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后,其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。简言之,就是所有的控制权都交给了操作系统,由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换,线程的挂起和唤醒,从而消耗大量的系统资。

13、锁优化技术(锁粗化、锁消除)

锁粗化就是告诉我们任何事情都有个度,有些情况下我们反而希望把很多次锁的请求合并成一个请求,以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。

举个例子:有个循环体,内部。

for(int i=0;i<size;i++){
synchronized(lock){
...业务处理,省略
}
}

经过锁粗化的代码如下:

synchronized(lock){
for(int i=0;i<size;i++){
...业务处理,省略
}
}

锁消除指的是在某些情况下,JVM 虚拟机如果检测不到某段代码被共享和竞争的可能性,就会将这段代码所属的同步锁消除掉,从而到底提高程序性能的目的。

锁消除的依据是逃逸分析的数据支持,如 StringBuffer 的 append() 方法,或 Vector 的 add() 方法,在很多情况下是可以进行锁消除的,比如以下这段代码:

public String method() {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
sb.append("i:" + i);
}
return sb.toString();
}

以上代码经过编译之后的字节码如下:

图片

从上述结果可以看出,之前我们写的线程安全的加锁的 StringBuffer 对象,在生成字节码之后就被替换成了不加锁不安全的 StringBuilder 对象了,原因是 StringBuffer 的变量属于一个局部变量,并且不会从该方法中逃逸出去,所以我们可以使用锁消除(不加锁)来加速程序的运行。

责任编辑:姜华 来源: 微观技术
相关推荐

2022-06-15 07:32:35

Lock线程Java

2022-04-08 08:27:08

分布式锁系统

2022-07-22 06:55:20

Redis分布式锁

2022-07-25 06:44:19

ZooKeeper分布式锁

2022-07-12 08:56:18

公平锁非公平锁Java

2021-09-17 07:51:24

2022-04-24 07:59:53

synchronizJVMAPI

2019-10-30 09:56:56

内存屏障变量

2021-03-29 08:54:42

StampedLock线程开发技术

2022-04-21 10:39:29

InnoDB意向锁SQL

2022-03-22 07:57:42

Java多线程并发

2021-01-14 08:58:12

Synchronize锁操作

2019-12-12 14:52:10

数据库脚本

2022-03-24 13:36:18

Java悲观锁乐观锁

2018-04-03 16:24:34

2021-03-30 09:45:11

2021-05-27 07:54:21

JavaStateAQS

2019-12-25 14:35:33

2020-09-04 09:20:59

Java开发代码

2016-12-16 11:05:00

分布式互斥线程

同话题下的热门内容

如何创建一个无代码的自助客户聊天机器人Java 服务 Docker 容器化优秀实践程序员不得不知道的 API 接口常识如何提高 TypeScript 的代码质量?11个 ES2022(ES13)中惊人的 JavaScript 新特性聊聊 13 种锁的实现方式使用 Vite 和 TypeScript 带你从零打造一个属于自己的 Vue3 组件库Stream流原理与用法总结,你学会了吗?

编辑推荐

太厉害了,终于有人能把TCP/IP协议讲的明明白白了!牛人5次面试腾讯不成功的经验HBase原理–所有Region切分的细节都在这里了Javascript如何监听页面刷新和关闭事件如何搭建一个HTTPS服务端
我收藏的内容
点赞
收藏

51CTO技术栈公众号