在 Java 程序中怎么保證多線程的運(yùn)行安全？

2.1.讀一致性

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Java 中針對(duì)上述“讀不安全”的問(wèn)題提供了關(guān)鍵字 volatile 來(lái)解決問(wèn)題，被 volatile 修飾的成員變量，在內(nèi)容發(fā)生更改的時(shí)候，會(huì)通知所有線程去主內(nèi)存更新最新的值，這樣就解決了讀不安全的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了讀一致性。

但是，讀一致性是無(wú)法解決寫一致性的，雖然能夠使得每個(gè)線程都能及時(shí)獲取到最新的值，但是1.1中的寫一致性問(wèn)題還是會(huì)存在。

既然如此，Java 為啥還要提供 volatile 關(guān)鍵字呢？這并非多余的存在，在某些場(chǎng)景下只需要讀一致性的話，這個(gè)關(guān)鍵字就能夠滿足需求而且性能相對(duì)還不錯(cuò)，因?yàn)槠渌哪軌虮ＷC“讀寫”都一直的辦法，多多少少存在一些犧牲。

2.2.寫一致性

Java 提供了三種方式來(lái)保證讀寫一致性，分別是互斥鎖、自旋鎖、線程隔離。

2.2.1.互斥鎖

互斥鎖只是一個(gè)鎖概念，在其他場(chǎng)景也叫做獨(dú)占鎖、悲觀鎖等，其實(shí)就是一個(gè)意思。它是指線程之間是互斥的，某一個(gè)線程獲取了某個(gè)資源的鎖，那么其他線程就只能睡眠等待。

在 Java 中互斥鎖的實(shí)現(xiàn)一般叫做同步線程鎖，關(guān)鍵字 synchronized，它鎖住的范圍是它修飾的作用域，鎖住的對(duì)象是：當(dāng)前對(duì)象（對(duì)象鎖）或類的全部對(duì)象（類鎖）——鎖釋放前，其他線程必將阻塞，保證鎖住范圍內(nèi)的操作是原子性的，而且讀取的數(shù)據(jù)不存在一致性問(wèn)題。

對(duì)象鎖：當(dāng)它修飾方法、代碼塊時(shí)，將會(huì)鎖住當(dāng)前對(duì)象

類鎖：修飾類、靜態(tài)方法時(shí)，則是鎖住類的所有對(duì)象

注意：?鎖住的永遠(yuǎn)是對(duì)象，鎖住的范圍永遠(yuǎn)是 synchronized 關(guān)鍵字后面的花括號(hào)劃定的代碼域。

2.2.2.自旋鎖

自旋鎖也只是一個(gè)鎖概念，在其他場(chǎng)景也叫做樂(lè)觀鎖等。

自旋鎖本質(zhì)上是不加鎖，而是通過(guò)對(duì)比舊數(shù)據(jù)來(lái)決定是否更新：

synchronized實(shí)現(xiàn)何時(shí)使用了自旋鎖還是互斥鎖

synchronized的鎖是針對(duì)多線程的，從線程的角度去思考才能真正弄明白。

Java的synchronized使用方法總結(jié)

1． 把synchronized當(dāng)作函數(shù)修飾符時(shí)

這也就是同步方法，那這時(shí)synchronized鎖定的是哪個(gè)對(duì)象呢？它鎖定的是調(diào)用這個(gè)同步方法對(duì)象。也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)對(duì)象P1在不同的線程中執(zhí)行這個(gè)同步方法時(shí)，它們之間會(huì)形成互斥，達(dá)到同步的效果。但是這個(gè)對(duì)象所屬的Class所產(chǎn)生的另一對(duì)象P2卻可以任意調(diào)用這個(gè)被加了synchronized關(guān)鍵字的方法。

同步塊，示例代碼如下：

public void method3(SomeObject so)

{

synchronized(so)

{

//…..

}

}

這時(shí)，鎖就是so這個(gè)對(duì)象，誰(shuí)拿到這個(gè)鎖誰(shuí)就可以運(yùn)行它所控制的那段代碼。當(dāng)有一個(gè)明確的對(duì)象作為鎖時(shí)，就可以這樣寫程序，但當(dāng)沒有明確的對(duì)象作為鎖，只是想讓一段代碼同步時(shí)，可以創(chuàng)建一個(gè)特殊的instance變量（它得是一個(gè)對(duì)象）來(lái)充當(dāng)鎖。

3．將synchronized作用于static 函數(shù)，示例代碼如下：

Class Foo

{

public synchronized static void methodAAA() // 同步的static 函數(shù)

{

//….

}

public void methodBBB()

{

synchronized(Foo.class) // class literal(類名稱字面常量)

}

}

代碼中的methodBBB()方法是把class literal作為鎖的情況，它和同步的static函數(shù)產(chǎn)生的效果是一樣的，取得的鎖很特別，是當(dāng)前調(diào)用這個(gè)方法的對(duì)象所屬的類（Class，而不再是由這個(gè)Class產(chǎn)生的某個(gè)具體對(duì)象了）。

Java鎖有哪些種類，以及區(qū)別

一、公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個(gè)線程按照申請(qǐng)鎖的順序來(lái)獲取鎖。

非公平鎖是指多個(gè)線程獲取鎖的順序并不是按照申請(qǐng)鎖的順序，有可能后申請(qǐng)的線程比先申請(qǐng)的線程優(yōu)先獲取鎖。有可能，會(huì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。

對(duì)于Java ReentrantLock而言，通過(guò)構(gòu)造函數(shù)指定該鎖是否是公平鎖，默認(rèn)是非公平鎖。非公平鎖的優(yōu)點(diǎn)在于吞吐量比公平鎖大。

對(duì)于Synchronized而言，也是一種非公平鎖。由于其并不像ReentrantLock是通過(guò)AQS的來(lái)實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度，所以并沒有任何辦法使其變成公平鎖。

二、可重入鎖

可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個(gè)線程在外層方法獲取鎖的時(shí)候，在進(jìn)入內(nèi)層方法會(huì)自動(dòng)獲取鎖。說(shuō)的有點(diǎn)抽象，下面會(huì)有一個(gè)代碼的示例。

對(duì)于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個(gè)可重入鎖，其名字是Re entrant Lock重新進(jìn)入鎖。

對(duì)于Synchronized而言,也是一個(gè)可重入鎖?？芍厝腈i的一個(gè)好處是可一定程度避免死鎖。

synchronized void setA() throws Exception{

Thread.sleep(1000);

setB();

}

synchronized void setB() throws Exception{

Thread.sleep(1000);

}

上面的代碼就是一個(gè)可重入鎖的一個(gè)特點(diǎn)，如果不是可重入鎖的話，setB可能不會(huì)被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

三、獨(dú)享鎖/共享鎖

獨(dú)享鎖是指該鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。

共享鎖是指該鎖可被多個(gè)線程所持有。

對(duì)于Java

ReentrantLock而言，其是獨(dú)享鎖。但是對(duì)于Lock的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)類ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫鎖是獨(dú)享鎖。

讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫，寫讀 ，寫寫的過(guò)程是互斥的。

獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過(guò)AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。

對(duì)于Synchronized而言，當(dāng)然是獨(dú)享鎖。

四、互斥鎖/讀寫鎖

上面講的獨(dú)享鎖/共享鎖就是一種廣義的說(shuō)法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實(shí)現(xiàn)。

互斥鎖在Java中的具體實(shí)現(xiàn)就是ReentrantLock

讀寫鎖在Java中的具體實(shí)現(xiàn)就是ReadWriteLock

五、樂(lè)觀鎖/悲觀鎖

樂(lè)觀鎖與悲觀鎖不是指具體的什么類型的鎖，而是指看待并發(fā)同步的角度。

悲觀鎖認(rèn)為對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定是會(huì)發(fā)生修改的，哪怕沒有修改，也會(huì)認(rèn)為修改。因此對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認(rèn)為，不加鎖的并發(fā)操作一定會(huì)出問(wèn)題。

樂(lè)觀鎖則認(rèn)為對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，是不會(huì)發(fā)生修改的。在更新數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)采用嘗試更新，不斷重新的方式更新數(shù)據(jù)。樂(lè)觀的認(rèn)為，不加鎖的并發(fā)操作是沒有事情的。

從上面的描述我們可以看出，悲觀鎖適合寫操作非常多的場(chǎng)景，樂(lè)觀鎖適合讀操作非常多的場(chǎng)景，不加鎖會(huì)帶來(lái)大量的性能提升。

悲觀鎖在Java中的使用，就是利用各種鎖。

樂(lè)觀鎖在Java中的使用，是無(wú)鎖編程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子類，通過(guò)CAS自旋實(shí)現(xiàn)原子操作的更新。

六、分段鎖

分段鎖其實(shí)是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖，對(duì)于ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)分段鎖的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。

我們以ConcurrentHashMap來(lái)說(shuō)一下分段鎖的含義以及設(shè)計(jì)思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為Segment，它即類似于HashMap(JDK7與JDK8中HashMap的實(shí)現(xiàn))的結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部擁有一個(gè)Entry數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素又是一個(gè)鏈表;同時(shí)又是一個(gè)ReentrantLock(Segment繼承了ReentrantLock)。

當(dāng)需要put元素的時(shí)候，并不是對(duì)整個(gè)hashmap進(jìn)行加鎖，而是先通過(guò)hashcode來(lái)知道他要放在那一個(gè)分段中，然后對(duì)這個(gè)分段進(jìn)行加鎖，所以當(dāng)多線程put的時(shí)候，只要不是放在一個(gè)分段中，就實(shí)現(xiàn)了真正的并行的插入。

但是，在統(tǒng)計(jì)size的時(shí)候，可就是獲取hashmap全局信息的時(shí)候，就需要獲取所有的分段鎖才能統(tǒng)計(jì)。

分段鎖的設(shè)計(jì)目的是細(xì)化鎖的粒度，當(dāng)操作不需要更新整個(gè)數(shù)組的時(shí)候，就僅僅針對(duì)數(shù)組中的一項(xiàng)進(jìn)行加鎖操作。

七、偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖

這三種鎖是指鎖的狀態(tài)，并且是針對(duì)Synchronized。在Java

5通過(guò)引入鎖升級(jí)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效Synchronized。這三種鎖的狀態(tài)是通過(guò)對(duì)象監(jiān)視器在對(duì)象頭中的字段來(lái)表明的。

偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問(wèn)，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖。降低獲取鎖的代價(jià)。

輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。

重量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓其他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。

八、自旋鎖

在Java中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會(huì)立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點(diǎn)是循環(huán)會(huì)消耗CPU。

典型的自旋鎖實(shí)現(xiàn)的例子，可以參考自旋鎖的實(shí)現(xiàn)

本文標(biāo)題：java代碼實(shí)現(xiàn)自旋鎖,自旋鎖實(shí)現(xiàn)讀寫鎖
標(biāo)題鏈接：http://aaarwkj.com/article16/dsishdg.html

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