Java锁机制——互斥锁，自旋锁，读写锁，悲观锁和乐观锁

本文主要是介绍Java锁机制——互斥锁，自旋锁，读写锁，悲观锁和乐观锁，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

以下文章源于小林coding

1.概述

在多线程并发的场景下，不可以避免的一个问题就是共享资源的竞争问题，那么最熟悉、常见的方法就是在访问共享资源之前加锁。
最常用的就是互斥锁，当然还有很多种不同的锁，比如自旋锁、读写锁、乐观锁等，不同种类的锁自然适用于不同的场景。

如果选择了错误的锁，那么在一些高并发的场景下，可能会降低系统的性能，这样用户体验就会非常差了。

所以，为了选择合适的锁，我们不仅需要清楚知道加锁的成本开销有多大，还需要分析业务场景中访问的共享资源的方式，再来还要考虑并发访问共享资源时的冲突概率。

互斥锁与自旋锁

最底层的两种就是会**「互斥锁和自旋锁」**，有很多高级的锁都是基于它们实现的，你可以认为它们是各种锁的地基，所以我们必须清楚它俩之间的区别和应用。
加锁的目的就是在任意的时间段里只有一个线程可以访问共享资源，这样就可以并发情况下出现的数据错乱问题
当已经有一个线程加锁后，其他线程加锁则就会失败，互斥锁和自旋锁对于加锁失败后的处理方式是不一样的：

• 互斥锁加锁失败之后，线程会释放CPU给其他线程，然后阻塞
• 自旋锁加锁失败之后，线程会忙等待（自旋），直到它拿到锁

互斥锁是一种「独占锁」，比如当线程 A 加锁成功后，此时互斥锁已经被线程 A 独占了，只要线程 A 没有释放手中的锁，线程 B 加锁就会失败，于是就会释放 CPU 让给其他线程，既然线程 B 释放掉了 CPU，自然线程 B 加锁的代码就会被阻塞。

互斥锁加锁失败阻塞线程是由操作系统内核控制的，当加锁失败时，内核会调用阻塞原语将线程置为「睡眠」状态，等到锁被释放后，内核会在合适的时机调用唤醒原语唤醒线程，当这个线程成功获取到锁后，于是就可以继续执行。如下图：

所以，互斥锁加锁失败时，会从用户态陷入到内核态，让内核帮我们切换线程，虽然简化了使用锁的难度，但是存在一定的性能开销成本。

这个开销成本是什么呢？——系统会存在两次线程上下文切换

• 当线程加锁失败，操作系统将线程由运行态转换成阻塞态，并释放CPU给其他线程运行
• 当锁被释放之后，之前阻塞态的线程会变成就绪状态，然后操作系统内核会在合适的时候分配CPU给线程运行

线程的上下文切换的是什么？当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

上下切换的耗时有大佬统计过，大概在几十纳秒到几微秒之间，如果你锁住的代码执行时间比较短，那可能上下文切换的时间都比你锁住的代码执行时间还要长。

所以如果你能确定你要锁住的代码块执行时间很短，就应该使用自旋锁，否则使用互斥锁

自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。

使用自旋锁的时候，会有两个步骤：

• 第一步：检查锁的状态，如果锁是空闲的，执行第二步
• 第二步：将锁设置为当前线程持有

CAS 函数就把这两个步骤合并成一条硬件级指令，形成原子指令，这样就保证了这两个步骤是不可分割的，要么一次性执行完两个步骤，要么两个步骤都不执行。

使用自旋锁的时候，当发生多线程竞争锁的情况，加锁失败的线程会「忙等待」，直到它拿到锁。这里的「忙等待」可以用 while 循环等待实现，不过最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令来实现「忙等待」，因为可以减少循环等待时的耗电量。

自旋锁是最比较简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。需要注意，在单核 CPU 上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

自旋锁开销少，在多核系统下一般不会主动产生线程切换，适合异步、协程等在用户态切换请求的编程方式，但如果被锁住的代码执行时间过长，自旋的线程会长时间占用 CPU 资源，所以自旋的时间和被锁住的代码执行的时间是成「正比」的关系，我们需要清楚的知道这一点。

自旋锁与互斥锁使用层面比较相似，但实现层面上完全不同：当加锁失败时，互斥锁用「线程切换」来应对，自旋锁则用「忙等待」来应对。

它俩是锁的最基本处理方式，更高级的锁都会选择其中一个来实现，比如读写锁既可以选择互斥锁实现，也可以基于自旋锁实现。

读写锁——读和写还有优先级之分？？

读写锁从字面意思我们也可以知道，它由「读锁」和「写锁」两部分构成，如果只读取共享资源用「读锁」加锁，如果要修改共享资源则用「写锁」加锁。

所以读写锁适用于读操作和写操作明确区分的场景。

读写锁的工作原理是：

• 当写锁没有被持有时，多个线程可以并发的持有读锁，这大大提高了共享资源的访问效率，因为读锁只是读取共享资源，所以多个线程持有读锁也不会破坏共享资源的数据
• 当写锁被线程持有时，读线程获取读锁的操作会被阻塞，而且其他线程获取写锁的操作也会被阻塞

所以说，写锁是独占锁，因为任何时刻只能有一个线程持有写锁，类似互斥锁和自旋锁，而读锁是共享锁，因为读锁可以被多个线程同时持有。

知道了读写锁的工作原理我们可以推断——在读多写少的业务场景中，读写锁有着很大的优势

另外根据实现的不同，读写锁可以分为「读优先锁」和「写优先锁」。

读优先锁期望的是，读锁能被更多的线程持有，以便提高读线程的并发性，它的工作方式是：当读线程 A 先持有了读锁，写线程 B 在获取写锁的时候，会被阻塞，并且在阻塞过程中，后续来的读线程 C 仍然可以成功获取读锁，最后直到读线程 A 和 C 释放读锁后，写线程 B 才可以成功获取读锁。如下图：
而写优先锁是优先服务写线程，其工作方式是：当读线程 A 先持有了读锁，写线程 B 在获取写锁的时候，会被阻塞，并且在阻塞过程中，后续来的读线程 C 获取读锁时会失败，于是读线程 C 将被阻塞在获取读锁的操作，这样只要读线程 A 释放读锁后，写线程 B 就可以成功获取读锁。如下图：

读优先锁对于读线程并发性更好，但也不是没有问题。我们试想一下，如果一直有读线程获取读锁，那么写线程将永远获取不到写锁，这就造成了写线程「饥饿」的现象。

写优先锁可以避免写线程的饥饿现象，但是如果一直有写线程获取写锁，那么读线程也会被饿死。

既然不管优先读锁还是写锁，对方可能会出现饿死问题，那么我们就不偏袒任何一方，搞个「公平读写锁」。

公平读写锁比较简单的一种方式是：用队列把获取锁的线程排队，不管是写线程还是读线程都按照先进先出的原则加锁即可，这样读线程仍然可以并发，也不会出现「饥饿」的现象。（FIFO）

互斥锁和自旋锁都是最基本的锁实现方式，而读写锁可以根据业务场景来选择其中一个进行实现。

乐观锁和悲观锁——做事的心态有何不同？

前面提到的互斥锁、自旋锁、读写锁，都是属于悲观锁。

悲观锁做事比较悲观——它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高，所以很容易发送冲突，所以线程访问共享资源之前，一定要先上锁。

而乐观锁做事就比较乐观，它假设发生冲突的概率较低——它的工作方式是先修改完共享资源，再验证这段时间有没有发送冲突，如果没有别的线程修改资源，那么操作完成；如果有其他线程修改资源，就放弃这次的修改操作

放弃后如何重试，这跟业务场景息息相关，虽然重试的成本很高，但是冲突的概率足够低的话，还是可以接受的。

可以发现乐观锁的工作方式是不管会不会有冲突，先修改共享资源再说。而且乐观锁虽然带一个锁字，但是并没有涉及到加锁，所以乐观锁其实也叫做无锁编程

举一个例子——在线编辑文档

我们都知道在线文档可以同时多人编辑的，如果使用了悲观锁，那么只要有一个用户正在编辑文档，此时其他用户就无法打开相同的文档了，这用户体验当然不好了。

那实现多人同时编辑，实际上是用了乐观锁，它允许多个用户打开同一个文档进行编辑，编辑完提交之后才验证修改的内容是否有冲突。

怎么样才算发生冲突？这里举个例子，比如用户 A 先在浏览器编辑文档，之后用户 B 在浏览器也打开了相同的文档进行编辑，但是用户 B 比用户 A 提交改动，这一过程用户 A 是不知道的，当 A 提交修改完的内容时，那么 A 和 B 之间并行修改的地方就会发生冲突。

那么服务器怎么验证是否发生了冲突呢？

• 由于发送冲突的概率较低，所以先让用户编辑文档，但是浏览器在下载文档的时候会记录下服务器返回的文档版本号
• 当用户提交修改的时候，发给服务器的请求会带上对应的文档版本号，服务器收到后将它和当前文档的版本号比较，如果版本号一致就修改成功，否则修改失败。

实际上，我们常见的 SVN 和 Git 也是用了乐观锁的思想，先让用户编辑代码，然后提交的时候，通过版本号来判断是否产生了冲突，发生了冲突的地方，需要我们自己修改后，再重新提交。

乐观锁虽然去除了加锁解锁的操作，但是一旦发生冲突，重试的成本非常高，所以只有在冲突概率非常低，且加锁成本非常高的场景时，才考虑使用乐观锁。

总结

开发过程中，最常见的就是互斥锁了，互斥锁加锁失败时，会使用线程切换将线程从运行态转换成阻塞态，当锁被释放后操作系统再唤醒线程获取锁，分配CPU运行。所以会有两次线程的上下文切换，性能损耗比较大

那如果我们明确知道要锁住的代码块运行时间比较短，那么我们就应该使用自旋锁来替换互斥锁，因为当自旋锁加锁失败时，会使用忙等待来应对，而不是线程切换。这样系统的开销就会比较小，而且如果锁住的代码块执行时间短，自旋的次数也会很少。

如果遇到读操作和写操作明确区分的业务场景，那么读写锁就有很大的优势了，它允许多个线程并发持有读锁，提高了读操作的并发性。根据偏袒的是读操作还是写操作，可以区分为读优先锁和写优先锁，读优先锁并发性强，但是写线程容易饿死，写优先锁会优先服务写线程，那么读线程也容易饿死。所以为了避免这种问题，就有了公平读写锁，使用队列把请求锁的线程排队，按照先进先出（FIFO）的原则对线程加锁，避免了饥饿现象，通用性也更好。

互斥锁和自旋锁都是最基本的锁，读写锁可以根据场景来选择这两种锁其中的一个进行实现。

另外，互斥锁、自旋锁、读写锁都属于悲观锁，悲观锁认为并发访问共享资源时，冲突概率可能非常高，所以在访问共享资源前，都需要先加锁。

相反的，如果访问共享资源时发生冲突的可能性较低，我们可以使用乐观锁，它的工作方式是，在访问共享资源时不用先加锁，而是在修改完成之后再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有则操作完成，如果发生冲突就放弃本次操作。

但是如果冲突概率升高，乐观锁就不适用了，因为它重试的成本很高

不管使用的哪种锁，我们的加锁的代码范围应该尽可能的小，也就是加锁的粒度要小，这样执行速度会比较快。再来，使用上了合适的锁，就会快上加快了。

这篇关于Java锁机制——互斥锁，自旋锁，读写锁，悲观锁和乐观锁的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对大家有所帮助，也希望大家多多支持为之网！