当前位置：首页 > article >正文

【JavaEE初阶】深入理解不同锁的意义，synchronized的加锁过程理解以及CAS的原子性实现（面试经典题）；

article 2024/10/8 18:38:18

前言

🌟🌟本期讲解关于锁的相关知识了解，这里涉及到高频面试题哦~~~

🌈上期博客在这里：【JavaEE初阶】深入理解线程池的概念以及Java标准库提供的方法参数分析-CSDN博客

🌈感兴趣的小伙伴看一看小编主页：GGBondlctrl-CSDN博客

📚️1.引言

📚️2.锁的策略

2.1乐观锁与悲观锁

2.2轻量级锁和重量级锁

2.3自旋锁和挂起等待锁

2.4普通互斥锁和读写锁

2.5公平锁和非公平锁

2.6可重入锁和不可重入锁

📚️3.synchronized的加锁过程

3.1锁升级

1.偏向锁阶段

2.轻量级锁

3.重量级锁

3.2锁消除

3.3锁粗化

📚️4.CAS的实现原理

4.1CAS的内部逻辑

4.2CAS实现线程安全

4.3CAS的原子性

📚️5.总结

📚️1.引言

Hello！uu们小编又来啦，上期在介绍过线程池的理解后，相信大家已经对其有了更深的了解，致此多线程初阶已经完结，前面的博客也可以供大家学习，复习哟~~~

本期只要是讲解关于不同锁的不同的意义理解，例如：乐观锁和悲观锁，以及synchronized的加锁之前的操作.......那就直接开始吧！！！

📚️2.锁的策略

2.1乐观锁与悲观锁

这是锁的两种不同实现方式；

乐观锁：即加锁之前，预估在程序中的锁的冲突不大，因此在加锁的时候就不会进行太多的操作；

悲观锁：即加锁之前，预估在程序中的锁的冲突很大，因此在加锁的时候就不会进行比较多的操作；

乐观锁的影响： 由于加锁的工作很少，所以加锁的时候就很快，但是缺点就是会造成更多的CPU资源的消耗（引入一些其他问题）

悲观锁的影响：由于加锁的时候工作比较多，所以在加锁的时候就比较满，所以此时造成的问题就很少；

2.2轻量级锁和重量级锁

轻量级锁：消耗的CPU资源多，加锁比较快=>这里理解为乐观锁；

重量级锁：消耗的CPU资源少，加锁比较慢=>这里理解为悲观锁；

这里的轻量级锁和重量级锁是加锁后对锁的一种评价，而乐观锁和悲观锁是加锁前的一种预估，这里是从两种不同的角度来描述一件事情；

2.3自旋锁和挂起等待锁

自旋锁：是轻量级锁的一种典型实现，一般搭配while循环，在加锁成功后退出循环，但是加锁不成功后，会进入循环再次尝试加锁；

挂起等待锁：是重量级锁的一种典型实现，在加锁失败后，会进入阻塞状态，直到获取到锁

自旋锁的使用：一般用于锁冲突比较小的情况，由于高速反复的尝试加锁，导致CPU的资源消耗上升，取而代之的是加锁的速度快，但是在线程多的情况下会发生“线程饿死”的问题

挂起等待锁的使用：一般用于所冲突比较大的情况，由于进入阻塞后，就是内核随机调度来进行执行，要进行的操作增加，导致加锁更慢了

synchronized锁：这里的synchronized锁具有自适应的能力的，例如在锁冲突情况比较严重的时候，这里的synchronized就是悲观锁、重量级锁、挂起等待锁.....所以这里的synchronized是根据当时的锁的冲突情况来进行自适应的~~~

2.4普通互斥锁和读写锁

普通互斥锁：即synchronized类似，只有加锁和解锁

读写锁：这里的解锁是一样的，但是在加锁的时候分为两种即“加读锁”与“加写锁”

这里的情况就是：

读锁和读锁这之间，不会出现锁的冲突

读锁和写锁这之间，会出现锁的冲突

写锁和写锁这之间，会出现锁的冲突

即一个线程加读锁的时候，另一个线程是可以“读”的，但是是不可以“写”的；

即一个现场加写锁的时候，另一个线程是不可以进行“读”和“写”的

为什么要引入读写锁：

在线程的读的操作中，读这个操作本来就是线程安全的，但是使用synchronized任然要给这一部分要加锁，由于加锁这个操作本来就是一个低效率的操作；在读的过程中不加锁可以打打提升效率；

但是读的时候完全不加锁，可能会在读的时候进行写操作，所以这里又要加“读锁”；

2.5公平锁和非公平锁

公平锁：即等待加锁的时间越久，就应该在锁释放的时候，先加上锁（先来先到原则）

非公平死锁：即在锁释放后，获取锁的概率是一样的，存在竞争；

如下图所示：

2.6可重入锁和不可重入锁

可重入锁：即在加锁过后任然在这个线程继续进行加锁；

不可重入锁：即在加锁过后，这个线程就不能进行加锁了；

例如synchronized是一个可重入锁，但是在系统中的锁是一个不可重入锁；

可重入锁需要记录加锁的对象，以及加锁的次数；

📚️3.synchronized的加锁过程

在synchronized加锁之前会经历一下升级过程

3.1锁升级

1.偏向锁阶段

这里的偏向锁阶段的实现和之前讲解的“懒汉模式”是有一定的联系的，即非必要不加锁，但是这里的偏向锁，并不是真正意义上的加锁；

偏向锁：即一种非必要不加锁的模式，真正意义上是不加锁的，而是进行一次轻量级的标记

这里就是当没有锁进行竞争的话就会不加锁，只是轻量化标记一下，当有锁的竞争，那么这个标记的就会很快拿到锁；

偏向锁的作用： 存在锁冲突的情况下，这中锁没有提高效率，但是当没有锁的竞争后，因为只是轻量化标记，而不加锁，那么这里的效率就会得到很大的提升；

2.轻量级锁

轻量级锁：即通过自旋的方式进行实现，反复快速的进行加锁的操作

优点：在锁的释放后，能够快速的拿到并加上锁；

缺点：非常消耗CPU的资源；

这里synchronized会根据有多少个线程在参与竞争，如果比较多，那么就会升级成重量级锁；

3.重量级锁

重量级锁：即拿不到锁的线程不会进入自旋状态，而是进入阻塞状态，释放CPU资源；

最后由内核进行随机调度，从而加上锁；

3.2锁消除

锁消除：即synchronized的一种优化策略，但是比较保守；

即编译器在编译的时候优化一下两种情况：

1.不存在锁竞争，只有一个线程，那么此时就会进行锁消除

2.加锁的代码中没有涉及到成员变量的改动，只有局部变量的改动，就不需要进行加锁

3.3锁粗化

锁粗化：即讲一个细粒度的锁，转化为一个粗粒度的锁；

粒度：即在synchronized{ }，这个括号里的代码越少，即粒度越细；代码越多，即粒度越粗

所谓的粒度粗化，如下图所示：

可以发现，这里频繁的加锁解锁会造成额外的时间开销，而直接一步到位可以剩下这部分的时间开销；

📚️4.CAS的实现原理

4.1CAS的内部逻辑

所谓的CAS即compare and swap，即一种比较和交换，这是一个特殊的CPU的指令

其内部伪代码：

boolean CAS(address,expectValue,swapValue){
      if(&address==expectValue){
          &address=swapValue;
          return true;
      }
      return false
}

注意：这里是一段伪代码，不能进行运行，只是描述逻辑的，即先进行判断寄存器的值和地址值是否相等，相等就将另一个swap寄存器的值给地址值（内存地址值）

4.2CAS实现线程安全

CAS是CPU的一种指令，操作系统又对这个指令进行了封装，我们的Java又对操作系统的API进行了封装，那么我们就可以进行使用啦；

在之前我们在实现两个线程对count实现加法操作，需要进行加锁，但是有了CAS就可以不用进行加锁了；

代码如下：

public static AtomicInteger count=new AtomicInteger();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <50000 ; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        Thread t2=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <50000 ; i++) {
                count.getAndIncrement();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最终count的值为："+count.get());
    }

这里就是通过使用原子类工具，实现了没有加锁的仍然线程安全的代码；

注意：之前的count++是三个指令，在线程的随机调度中存在不同指令的穿插的情况，导致线程安全问题，但是getandincrement本来就是一个线程安全的指令（就是一个指令），天然就具有原子性；