這篇文章主要介紹了Java多線程并發(fā)編程和鎖原理解析,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

一.前言

　　最近項(xiàng)目遇到多線程并發(fā)的情景（并發(fā)搶單&恢復(fù)庫存并行），代碼在正常情況下運(yùn)行沒有什么問題，在高并發(fā)壓測下會(huì)出現(xiàn)：庫存超發(fā)/總庫存與sku庫存對不上等各種問題。

　　在運(yùn)用了 限流/加鎖等方案后，問題得到解決。

　　加鎖方案見下文。

二.樂觀鎖 & 悲觀鎖

　　1.樂觀鎖

　　 顧名思義，就是很樂觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)(version)等機(jī)制。

　　 例如：mybatis-plus 自帶插件OptimisticLockerInterceptor，在數(shù)據(jù)庫表加上一個(gè)version字段，每次更新完數(shù)據(jù)庫mp會(huì)自動(dòng)在version字段上加1，如果在更新提交的時(shí)候發(fā)現(xiàn)version字段的值與數(shù)據(jù)庫中最新的值不一致，則提交失敗。

　　2.悲觀鎖

　　 悲觀鎖總是假設(shè)會(huì)出現(xiàn)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖。

　　 傳統(tǒng)的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。

　　 Java的同步synchronized關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)就是典型的悲觀鎖。

　　3.總結(jié)

　　 悲觀鎖適合寫操作多的場景，先加鎖可以保證寫操作時(shí)數(shù)據(jù)正確。

　　 樂觀鎖適合讀操作多的場景，不加鎖的特點(diǎn)能夠使其讀操作的性能大幅提升。

三.獨(dú)占鎖 & 共享鎖

　　1.獨(dú)占鎖

　　　　是指該鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。

　　　　例如：Synchronized 和 ReentrantLock ,它們同時(shí)也是悲觀鎖

　　 2.共享鎖

　　　　是指該鎖可被多個(gè)線程所持有，允許多個(gè)線程同時(shí)去獲取。

　　　　例如：Semaphore 和 ReadWriteLock 和 countdownlatch，其讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨(dú)享鎖。

　　 3.總結(jié)

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

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

四.公平鎖 & 非公平鎖

　　1.公平鎖

　　 加鎖前先查看是否有排隊(duì)等待的線程，有的話優(yōu)先處理排在前面的線程，先來先得。

　　2.非公平鎖

　　 線程加鎖時(shí)直接嘗試獲取鎖，獲取不到就自動(dòng)到隊(duì)尾等待。

　　3.總結(jié)

　　 更多的是直接使用非公平鎖：非公平鎖比公平鎖性能高5-10倍，因?yàn)楣芥i需要在多核情況下維護(hù)一個(gè)隊(duì)列，如果當(dāng)前線程不是隊(duì)列的第一個(gè)無法獲取鎖，增加了線程切換次數(shù)。

五.java線程鎖

　　由于多個(gè)線程是共同占有所屬進(jìn)程的資源和地址空間的，那么就會(huì)存在一個(gè)問題：如果多個(gè)線程要同時(shí)訪問某個(gè)資源，怎么處理？

　　在Java并發(fā)編程中，經(jīng)常遇到多個(gè)線程訪問同一個(gè)共享資源 ，這時(shí)候作為開發(fā)者必須考慮如何維護(hù)數(shù)據(jù)一致性，這就是Java鎖機(jī)制(同步問題)的來源。

　　Java提供了多種多線程鎖機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式，常見的有：

• 　　synchronized
• 　　ReentrantLock
• 　　Semaphore
• 　　AtomicInteger等

　　　 每種機(jī)制都有優(yōu)缺點(diǎn)與各自的適用場景，必須熟練掌握他們的特點(diǎn)才能在Java多線程應(yīng)用開發(fā)時(shí)得心應(yīng)手。

　　1.Synchronized

　　在Java中synchronized關(guān)鍵字被常用于維護(hù)數(shù)據(jù)一致性。synchronized機(jī)制是給共享資源上鎖，只有拿到鎖的線程才可以訪問共享資源，這樣就可以強(qiáng)制使得對共享資源的訪問都是順序的。

　　 Java開發(fā)人員都認(rèn)識(shí)synchronized，使用它來實(shí)現(xiàn)多線程的同步操作是非常簡單的，只要在需要同步的對方的方法、類或代碼塊中加入該關(guān)鍵字，它能夠保證在同一個(gè)時(shí)刻最多只有一個(gè)線程執(zhí)行同一個(gè)對象的同步代碼，可保證修飾的代碼在執(zhí)行過程中不會(huì)被其他線程干擾。使用synchronized修飾的代碼具有原子性和可見性，在需要進(jìn)程同步的程序中使用的頻率非常高，可以滿足一般的進(jìn)程同步要求?！　?/p>

　synchronized (obj) {
    //方法
    …….
  }

synchronized實(shí)現(xiàn)的機(jī)理依賴于軟件層面上的JVM，因此其性能會(huì)隨著Java版本的不斷升級(jí)而提高。

到了Java1.6，synchronized進(jìn)行了很多的優(yōu)化，有適應(yīng)自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級(jí)鎖及偏向鎖等，效率有了本質(zhì)上的提高。在之后推出的Java1.7與1.8中，均對該關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)機(jī)理做了優(yōu)化。

需要說明的是，當(dāng)線程通過synchronized等待鎖時(shí)是不能被Thread.interrupt()中斷的，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)必須檢查確保合理，否則可能會(huì)造成線程死鎖的尷尬境地。

最后，盡管Java實(shí)現(xiàn)的鎖機(jī)制有很多種，并且有些鎖機(jī)制性能也比synchronized高，但還是強(qiáng)烈推薦在多線程應(yīng)用程序中使用該關(guān)鍵字，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方便，后續(xù)工作由JVM來完成，可靠性高。只有在確定鎖機(jī)制是當(dāng)前多線程程序的性能瓶頸時(shí)，才考慮使用其他機(jī)制，如ReentrantLock等。

總結(jié)：在資源競爭不是很激烈的情況下，偶爾會(huì)有同步的情形下，synchronized是很合適的。原因在于，編譯程序通常會(huì)盡可能的進(jìn)行優(yōu)化synchronize，另外可讀性非常好。

2.ReentrantLock

　　可重入鎖，顧名思義，這個(gè)鎖可以被線程多次重復(fù)進(jìn)入進(jìn)行獲取操作。

　　ReentantLock繼承接口Lock并實(shí)現(xiàn)了接口中定義的方法，除了能完成synchronized所能完成的所有工作外，還提供了諸如可響應(yīng)中斷鎖、可輪詢鎖請求、定時(shí)鎖等避免多線程死鎖的法。

　　Lock實(shí)現(xiàn)的機(jī)理依賴于特殊的CPU指定，可以認(rèn)為不受JVM的約束，并可以通過其他語言平臺(tái)來完成底層的實(shí)現(xiàn)。在并發(fā)量較小的多線程應(yīng)用程序中，ReentrantLock與synchronized性能相差無幾，但在高并發(fā)量的條件下，synchronized性能會(huì)迅速下降幾十倍，而ReentrantLock的性能卻能依然維持一個(gè)水準(zhǔn)。

　　因此我們建議在高并發(fā)量情況下使用ReentrantLock。

　　ReentrantLock引入兩個(gè)概念：公平鎖與非公平鎖。

　　公平鎖指的是鎖的分配機(jī)制是公平的，通常先對鎖提出獲取請求的線程會(huì)先被分配到鎖。反之，JVM按隨機(jī)、就近原則分配鎖的機(jī)制則稱為不公平鎖。

　　ReentrantLock在構(gòu)造函數(shù)中提供了是否公平鎖的初始化方式，默認(rèn)為非公平鎖。這是因?yàn)椋枪芥i實(shí)際執(zhí)行的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公平鎖，除非程序有特殊需要，否則最常用非公平鎖的分配機(jī)制。

　　ReentrantLock通過方法lock()與unlock()來進(jìn)行加鎖與解鎖操作，與synchronized會(huì)被JVM自動(dòng)解鎖機(jī)制不同，ReentrantLock加鎖后需要手動(dòng)進(jìn)行解鎖。為了避免程序出現(xiàn)異常而無法正常解鎖的情況，使用ReentrantLock必須在finally控制塊中進(jìn)行解鎖操作。通常使用方式如下所示：

/**
 * 初始化一個(gè)非公平鎖(該鎖只適用于單實(shí)例)
 */
private static Lock lock = new ReentrantLock(false);

void test() {
  try {  
  　lock.lock();
   //...執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
  }finally {
   lock.unlock();
  } 
}

總結(jié)：在資源競爭不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差點(diǎn)點(diǎn)。但是當(dāng)同步非常激烈的時(shí)候，synchronized的性能一下子能下降好幾十倍，而ReentrantLock確還能維持常態(tài)。高并發(fā)量情況下使用ReentrantLock。

注意：Spring注解和同步鎖不能同步問題解決

3.Semaphore (信號(hào)量)

　　上述兩種鎖機(jī)制類型都是“互斥鎖”，互斥是進(jìn)程同步關(guān)系的一種特殊情況，相當(dāng)于只存在一個(gè)臨界資源，因此同時(shí)最多只能給一個(gè)線程提供服務(wù)。但是，在實(shí)際復(fù)雜的多線程應(yīng)用程序中，可能存在多個(gè)臨界資源，這時(shí)候我們可以借助Semaphore信號(hào)量來完成多個(gè)臨界資源的訪問。

　　Semaphore基本能完成ReentrantLock的所有工作，使用方法也與之類似，通過acquire()與release()方法來獲得和釋放臨界資源。

　　經(jīng)實(shí)測，Semaphone.acquire()方法默認(rèn)為可響應(yīng)中斷鎖，與ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致，也就是說在等待臨界資源的過程中可以被Thread.interrupt()方法中斷。

　　此外，Semaphore也實(shí)現(xiàn)了可輪詢的鎖請求與定時(shí)鎖的功能，除了方法名tryAcquire與tryLock不同，其使用方法與ReentrantLock幾乎一致。Semaphore也提供了公平與非公平鎖的機(jī)制，也可在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行設(shè)定。

　　Semaphore的鎖釋放操作也由手動(dòng)進(jìn)行，因此與ReentrantLock一樣，為避免線程因拋出異常而無法正常釋放鎖的情況發(fā)生，釋放鎖的操作也必須在finally代碼塊中完成。

/** 定義一個(gè)非公平的共享鎖 */
public static Semaphore LOCK = new Semaphore(5, false);

void test() {
  try{
   //獲取許可
   LOCK.acquire();
  } 
  finally {
   //釋放許可
   LOCK.release();
  }
}

　　總結(jié)：Semaphore有著非常強(qiáng)大的功能，并且是共享鎖，在特殊情景時(shí)非常有效。

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