Java鎖，真的有這麼複雜嗎？

前言

作者前面也寫了幾篇關於Java併發程式設計，以及執行緒和volatil的基礎知識，有興趣可以閱讀作者的原文部落格，今天關於Java中的兩種鎖進行詳解，希望對你有所幫助

本文受趙sir原創釋出，轉載請聯絡原創 https://blog.csdn.net/qq_36094018/article/details/90140209

為什麼使用synchronized

在上一章中說了volatile，在多執行緒下可以保證變數的可見性，但是不能保證原子性，下面一段程式碼說明：

執行上面程式碼，會發現輸出flag的值不是理想中10000，雖然volatile寫入時候會通知其他執行緒的工作記憶體值無效，從主記憶體重寫讀取。i++是三步操作，讀取-賦值-寫入不能保證原子性。原子性：不能被中斷要麼成功要麼失敗。

比如此時主記憶體的flag值10，執行緒1和執行緒2讀取到自己工作記憶體都是10，然後執行緒1在進行賦值的時候，執行緒2執行了，這時執行緒2發現自己記憶體的值和主記憶體的值一樣，並沒有修改，然後賦值寫入11，此時執行緒1執行，因為之前讀過了，會往下繼續執行寫入也是11。那麼兩個執行緒相當於只增加了一次。要想達到理想值，只需要修改public synchronized void increase() { flag++; }就行了。

什麼是synchronized

Java提供的一種原子性性內建鎖，Java每個物件都可以把它當做是監視器鎖，執行緒程式碼執行在進入synchronized程式碼塊時候會自動獲取內部鎖，這個時候其他執行緒訪問時候會被阻塞到佇列，直到進入synchronized中的程式碼執行完畢或者丟擲異常或者呼叫了wait方法，都會釋放鎖資源。在進入synchronized會從主記憶體把變數讀取到自己工作記憶體，在退出的時候會把工作記憶體的值寫入到主記憶體，保證了原子性。

synchronized機制

編譯後執行javap -v Test.class就會發現兩條指令。

在這裡插入圖片描述

synchronized是使用一種monitor機制，在進入鎖時候先執行monitorenter指令。退出的時候執行monitorexit指令。synchronized是可重入鎖，每個物件中都含有一個計數器當前執行緒再次獲取鎖，計數器+1，退出時候計算器-1，直到計數器為0才釋放鎖資源，喚醒其他執行緒來爭搶資源。任意一個物件都擁有自己的監視器，只有在執行緒獲取到監視器鎖時才會進入程式碼中，否則就進入阻塞狀態。

在這裡插入圖片描述

synchronized使用場景

對於普通方法，鎖是當前類例項物件。
對於靜態方法，鎖是當前類物件。

對於同步程式碼塊，鎖是synchronized括號裡的物件。

synchronized鎖升級

synchronized在1.6以前是重量級鎖，當前只有一個執行緒執行，其他執行緒阻塞。為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的效能問題，而引入了偏向鎖、輕量級鎖以及鎖的儲存過程和升級過程。在1.6後鎖分為了無鎖、偏向鎖、輕量鎖、重量鎖，鎖的狀態在多執行緒競爭的情況下會逐漸升級，只能升級而不能降級，這樣是為了提高鎖獲取和釋放的效率。

synchronized的鎖是存貯在Java物件頭裡的，如果物件是陣列型別，則虛擬機器用3個字寬（Word）儲存物件頭，如果物件是非陣列型別，則用2字寬儲存物件頭。1個字寬等於4個位元組。

在這裡插入圖片描述 Java物件頭中的Mark Word裡預設儲存了物件是HashCode、分代年齡、和鎖標記。

在這裡插入圖片描述在執行的時候，Mark Word裡儲存的資料會隨著鎖標誌位的變化而變化，可能會變化為儲存以下四種形式。

偏向鎖

偏向鎖的意思未來只有一個執行緒使用鎖，不會有其他執行緒來爭取。

獲取鎖：

首先檢查Mark word中鎖的標誌是否為01。
如果是01，判斷物件頭的Mark word記錄是否為當前執行緒ID，如果是執行5，否則執行3.
執行緒ID並未只指向自己，傳送CAS競爭，如果競爭成功，則將Mark Word中執行緒ID設定為當前執行緒ID，執行5；如果未成功執行4。
當到達全域性安全點（在這個時間點上沒有正在執行的位元組碼）時獲得偏向鎖的執行緒被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的執行緒繼續往下執行同步程式碼。
執行同步程式碼。撤銷鎖：偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他執行緒嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的執行緒才會釋放鎖。需要等待全域性安全點，它首先暫停原持有偏向鎖的執行緒，然後檢查執行緒是否還在活著，如果執行緒處於未活動狀態，則釋放鎖標記，如果處於活動狀態則升級為輕量級鎖。

CAS

CAS全稱是Compare And Swap 即比較並交換，使用樂觀鎖機制，包含三個運算元 —— 記憶體位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。如果記憶體位置的值與預期原值相匹配，那麼才會將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。

輕量級鎖

執行緒在執行同步程式碼塊之前，JVM會先在當前執行緒的棧楨中建立用於儲存鎖記錄的空間，並將物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。

加鎖：

CAS修改Mark Word，如果成功指向棧中鎖記錄的指標執行3，如果失敗執行2.
發生自旋，自旋到一定次數，如果修改成功執行3，否則鎖膨脹為重量級鎖。
執行同步程式碼塊。

解鎖：輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到物件頭，如果成功，則表示沒有競爭發生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。

鎖的優缺點

徹底搞懂鎖升級

在這裡插入圖片描述

lock

它是在1.5之後提供的一個獨佔鎖介面，它的實現類是ReentrantLock，相比較synchronized這種隱式鎖（不用手動加鎖和釋放鎖）的便捷性，但是提供了更加鎖的可操作性、可中斷的獲取鎖以及超時獲取鎖等多種synchronized不具備的特性。

使用方法

在finally中釋放鎖，目的保證獲取鎖最終被釋放。不要在獲取鎖寫在try裡，因為如果在獲取鎖時發生了異常，異常丟擲的同時，也會導致鎖無故釋放。

AQS

AQS是佇列同步器（AbstractQueuedSynchronizer），是用來構建鎖或者其他同步器的基礎框架，它使用了一個int成員變量表示同步狀態，通過內建的FIFO佇列來完成資源獲取的執行緒排隊工作問題。AQS在內部維護了一個單一的狀態資訊state，可以通過getState、setState、compareAndSetState（CAS操作）修改此值，對於ReentrantLock來說，state可以用來表示當前執行緒獲取鎖的可重入次數。ReentrantLock中當一個執行緒獲取了鎖，在AQS的內部會進行compareAndSetState將state變為1，如果再次獲取就設定為2，釋放鎖也會去修改state值，只有當值變為0時，其他執行緒才能獲得鎖。

鎖的介紹

AQS底層維護state和佇列來實現獨佔和共享兩種鎖。

**獨佔鎖：**每次只能有一個執行緒能持有鎖，如lock、synchronized。 **共享鎖：**允許多個執行緒同時獲取鎖，併發訪問共享資源，如ReadWriteLock。

lock分為公平鎖和非公平鎖，實現了AQS介面，通過FIFO設定鎖的優先順序。

**公平鎖：**根據執行緒獲取鎖的時間來判斷，等待時間越久的執行緒優先被執行。Lock中初始化的時候ReentrantLock（true），預設為false，效率較低因為需要判斷執行緒的等待時間。

**非公平鎖：**搶佔鎖資源，不能保證獲取鎖的執行緒優先順序，效率較高，因為獲取鎖是競爭的。

兩者不同

synchronized是Java的關鍵字，lock是提供的類。
synchronized提供不需要手動加鎖和釋放的隱式鎖，釋放鎖的條件是程式碼執行完或者丟擲異常自動釋放。lock必須手動加鎖和釋放鎖，另外還提供了可中斷鎖、超時獲取鎖、判斷鎖狀態。
synchronized是可重入、不可中斷、非公平，lock是可重入、可中斷、公平（兩者皆可）
synchronized適合程式碼量少的同步，lock適合程式碼量同步多的。**

Condition介面

還記得在Java併發二中有一道生產者消費者，使用的是synchronized+wait（notify），lock中也提供了這種等待通知型別的方法await和signal，當前執行緒呼叫這些方法時，需要提前獲取到Condition物件關聯的鎖，Condition是依賴於Lock物件，呼叫lock物件中的newCondition。

老樣子還是先定義一個容器：

在這裡插入圖片描述生產者：啟5個執行緒往容器裡新增資料。