浅谈Java中锁的实现和优化

DevWiki 发布于2019-08-19 10:54 / 1311人阅读

摘要：这两种策略的区别就在于，公平策略会让等待时间长的线程优先执行，非公平策略则是等待时间长的线程不一定会执行，存在一个抢占资源的问题。

之前有一篇文章我们简单的谈到了Java中同步的问题，但是可能在平常的开发中，有些理论甚至是某些方式是用不到的，但是从程序的角度看，这些理论思想我们可以运用到我们的开发中，比如是不是应该一谈到同步问题，就应该想到用synchronized?,什么时候应该用ReentrantLock?，是不是应该考虑用原子类解决某些问题？那我们就来聊一聊我们如何用这个锁。

上一篇文章中第一个例子，我们后来通过对方法加synchronized修改了代码，在这里还有一种修改方式，我们可以考虑使用原子类，这样也可以解决这个问题，我们来看看伪代码：

private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

private static void increse(){
        i.incrementAndGet();
    }

因为在这个问题上，不只是有线程的可见性问题，还有一个就是操作的原子性问题，说到这里，我们应该明白，在我们平常的开发中，有时候应该区分什么时候是需要原子操作，什么时候只需要可见性，那么这样我们才能够正确的判断用某种合理的方式写出合理的代码。

好，这是上次的一点小问题我们再这里重复一下，接下来我们聊一聊具体的锁。

互斥同步

synchronized就是一个很典型的例子，这种锁也叫做可重入锁，就是一个线程持有一个相同的锁对象，可以进行重复加解锁，换句话说，持有相同锁对象的线程不会自己把自己锁住。

还有另外一个和synchronized很相近的锁，就是我们上面提到的ReentrantLock，这个和synchronized一样，都提供了可重入性，这两个锁的效果是差不多的(在以前的一些比较旧的JDK版本中，并发数比较大的情况下，ReentrantLock的性能是要优于synchronized的)，可能有些小伙伴还没有用过这种锁，那这里我们就简单说一下具体用法：

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

lock.lock();
// code
lock.unlock();

这里从API的层面提供了一个比较简单的写法，同时也提供了一些比较高级的特性，像信号量，线程终止等等，有兴趣的小伙伴可以去查阅相关资料去了解一下，在这里我们不深入探讨，但是有一个地方需要注意一下，就是ReentrantLock提供了两种竞争策略，一种是公平策略，另一种是非公平策略。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 非公平策略

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);// 公平策略

公平策略与非公平策略

这里我就先举一个比较简单的例子，如果我们在公司上班，有时候我们中午会带午饭，然后需要用微波炉来加热一下，那这里就有个问题了，在我们去加热午饭的时候，如果前面有同事在排队，当然了，我们都是有素质的人，出于礼貌，我们也需要排队，等待前面的同事操作完，后面来的同事当然也需要排在我们后面，那这种情况下，我们可以称之为公平策略。
如果在前面正在热午饭的同事，他有关系比较好的同事也来热午饭，这个时候是否可以插队，如果这位同事插队成功了，那么他就可以继续热午饭了，那么我们又得在后面等了，这种情况我们可以称之为非公平策略。这两种策略的区别就在于，公平策略会让等待时间长的线程优先执行，非公平策略则是等待时间长的线程不一定会执行，存在一个抢占资源的问题。如果从源码的角度来看，那么我们就来简单的说一下非公平策略的执行方式。

非公平策略执行方式

一个线程首先会试探性的获取一次锁，如果获取到，则将当前锁设置为该线程独占，如果没有设置成功，则再次试探性的获取一次，如果还是没有成功，则将该线程加入到等待队列，后面再次等待获取，看到这里，可能有一些小伙伴不太明白了，那么非公平是体现在哪里，如果排在你前面的以为同事刚好热好午饭，然后你在后面玩手机，前面的同事还没有跟你说，“喂，该你去热午饭了。”，然后这会儿又来了一个其他人插队，那么作为高素质的你，肯定不能和别人计较了，好了，那就等着吧，非公平策略就体现在这里了。这里实现的方式很复杂，可以一点一点去看，其中有用到AQS，CAS等这些比较底层的原理，值得一提的是，现在JVM对synchronized的优化已经相当不错，其性能表型已经和ReentrantLock不相上下，如果从推荐的角度来说，还是推荐使用synchronized，除非需要使用一些比较高级的特性。

非互斥同步

接下来我们再来聊一聊什么是非互斥同步，互斥同步就是指阻塞同步，就是阻塞线程让其一直等待某个锁可用的过程，那么非互斥同步刚和和这个是对立的，这里用到了一个CAS的原理，这个是操作系统的指令，即compare and swap,比较并交换，说的简单一点，就是如果在内存中一个值为V，然后我们又一个预估值A，然后还有一个新值B，如果V和A相同，那么就把V的值替换为B，然后返回V，这里要说一下，无论是否能替换成功，都会返回V的值，这个过程称作CAS。这种就涉及到操作系统级别了，因为在之前的阻塞同步中，阻塞线程然后再将其恢复获得锁的过程，是比较耗费性能的，我们知道，Java中的线程是对操作系统线程的一个映射，如果我们在阻塞同步的时候，将一个线程挂起，然后再恢复，那么这里要经历一个向核心态的转换过程，消耗是比较巨大的。因此，在非互斥同步中，通过CAS这种方式，能够相对比较好的处理这个问题，但是有个问题需要明确一下，就是在Java中，这种处理方式，是通过这个类来完成的，sun.misc.Unsafe，这个类只能通过boot class loader来调用，要么就是通过反射，或者通过某些方法来调用，比如AtomicInteger类中的incrementAndGet()方法，当然，还有很多这种方法，个人也是对CAS这种机制理解的比较片面，还需要更加深层次的研究。到这里，我们不得不说，Doug Lea的编码能力实属上乘，确实佩服！

锁优化

我们再来谈一谈锁优化，JVM为我们的代码或者说其内部就做了一些优化方式，我们就来简单的说几个。

自旋

什么是自旋，是的，有些小伙伴也可以这么理解，就是自己旋转，当然这是开个玩笑，不过这种方式对于阻塞线程来说，是有一定的效果，简单来说，就是如果一个线程获得了锁，然后另一个线程按照以前的方式只能阻塞等待，那么JVM对这里做了一个优化，就是让这种等待的线程去执行一个循环，但是此时CPU的时间片是不会让出去的，也就是说这里的这个线程还是占有着一个处理时间，如果循环结束之后，这个锁就能获取了，那这个线程就拿到这个锁继续执行，这样做的一个目的就在于我们上面说的，线程从挂起到恢复需要像核心态的一个转换，这个性能的消耗和占用时间片的消耗比是很大的，但是同时也有一个问题就是如果自旋结束后，还是没有获得锁，那么这段时间性能的消耗就是浪费了，所以也很难权衡，因此在一些比较旧的JDK版本中，JVM是禁止使用自旋的。

自适应自旋

这里就是说如果一个线程在一次成功的自旋结束后，并且成功的获得了锁然后成功运行，那么JVM会“认为”这次自旋是成功的，那么下次如果继续有线程发生自旋，那么JVM能够判断出来是否需要让这个线程自旋来减少性能的消耗，从这里来看，JVM还是相对比较“机智”的。

锁消除

这个例子在上一篇文章中曾经提到过，对于字符串的拼接，我们反编译就能看出来，如果能够判断不存在方法逃逸的情况下，那么JVM会对这种操作转换为StringBuilder的append操作，可能有的小伙伴会有疑问，为什么不转换为StringBuffer呢？因为JVM已经能够正确判断出没有方法逃逸，那么如果再用线程安全类来处理也意义不大。

好了，这篇文章就先到这里了，这里只是很简略的聊了一下在Java中的锁的相关知识，更深入的还有待后面继续研究。

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