Java锁：重入锁，读写锁，乐观锁，悲观锁，CAS无锁模式

2023-02-27

new 操作 cas

 重入锁锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如synchronized(重量级)和ReentrantLock(轻量级)等等)。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不

重入锁

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized(重量级) 和 ReentrantLock(轻量级)等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。

重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。

在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁

public class Test implements Runnable { 
    public synchronized void get() { 
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();"); 
        set(); 
    } 
    public synchronized void set() { 
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();"); 
    } 
    @Override 
    public void run() { 
        get(); 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        Test ss = new Test(); 
        new Thread(ss).start(); 
        new Thread(ss).start(); 
        new Thread(ss).start(); 
        new Thread(ss).start(); 
    } 
} 
public class Test02 extends Thread { 
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
    public void get() { 
        lock.lock(); 
        System.out.println(Thread.currentThread().getId()); 
        set(); 
        lock.unlock(); 
    } 
    public void set() { 
        lock.lock(); 
        System.out.println(Thread.currentThread().getId()); 
        lock.unlock(); 
    } 
    @Override 
    public void run() { 
        get(); 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        Test ss = new Test(); 
        new Thread(ss).start(); 
        new Thread(ss).start(); 
        new Thread(ss).start(); 
    } 
} 
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读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写(译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存)。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

public class Cache { 
    static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>(); 
    static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
    static Lock r = rwl.readLock(); 
    static Lock w = rwl.writeLock(); 
    // 获取一个key对应的value 
    public static final Object get(String key) { 
        r.lock(); 
        try { 
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始"); 
            Thread.sleep(100); 
            Object object = map.get(key); 
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束"); 
            System.out.println(); 
            return object; 
        } catch (InterruptedException e) { 
        } finally { 
            r.unlock(); 
        } 
        return key; 
    } 
    // 设置key对应的value，并返回旧有的value 
    public static final Object put(String key, Object value) { 
        w.lock(); 
        try { 
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始."); 
            Thread.sleep(100); 
            Object object = map.put(key, value); 
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束."); 
            System.out.println(); 
            return object; 
        } catch (InterruptedException e) { 
        } finally { 
            w.unlock(); 
        } 
        return value; 
    } 
    // 清空所有的内容 
    public static final void clear() { 
        w.lock(); 
        try { 
            map.clear(); 
        } finally { 
            w.unlock(); 
        } 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        new Thread(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                    Cache.put(i + "", i + ""); 
                } 
            } 
        }).start(); 
        new Thread(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                    Cache.get(i + ""); 
                } 
            } 
        }).start(); 
    } 
} 
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悲观锁、乐观锁

乐观锁

总是认为不会产生并发问题，每次去取数据的时候总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁，但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用版本号机制或CAS操作实现。

version方式：一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

核心SQL语句

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version}; 
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CAS操作方式：即compare and swap 或者 compare and set，涉及到三个操作数，数据所在的内存值，预期值，新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

悲观锁

总是假设最坏的情况，每次取数据时都认为其他线程会修改，所以都会加锁(读锁、写锁、行锁等)，当其他线程想要访问数据时，都需要阻塞挂起。可以依靠数据库实现，如行锁、读锁和写锁等，都是在操作之前加锁，在Java中，synchronized的思想也是悲观锁。

原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法(如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果)，以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

为什么会有原子类

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

CAS无锁模式

什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

CAS算法理解

(1)与锁相比，使用比较交换(下文简称CAS)会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

(2)无锁的好处：

第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能;

第二，它天生就是死锁免疫的。

就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

(3)CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。

(4)CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

(5)简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。

(6)在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

public class Test0001 implements Runnable { 
    private static Integer count = 1; 
    private static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger(); 
    @Override 
    public void run() { 
        while (true) { 
            int count = getCountAtomic(); 
            System.out.println(count); 
            if (count >= 150) { 
                break; 
            } 
        } 
    } 
    public synchronized Integer getCount() { 
        try { 
            Thread.sleep(50); 
        } catch (Exception e) { 
            // TODO: handle exception 
        } 
        return count++; 
    } 
    public Integer getCountAtomic() { 
        try { 
            Thread.sleep(50); 
        } catch (Exception e) { 
            // TODO: handle exception 
        } 
        return atomic.incrementAndGet(); 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
        Test0001 test0001 = new Test0001(); 
        Thread t1 = new Thread(test0001); 
        Thread t2 = new Thread(test0001); 
        t1.start(); 
        t2.start(); 
    } 
} 
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CAS(乐观锁算法)的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{

备份旧数据;

基于旧数据构造新数据;

}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 )

(上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。)

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行;如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { 
 int v; 
 do { 
 v = getIntVolatile(o, offset); 
 } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); 
 return v; 
 } 
/**  
     * Atomically increments by one the current value.  
     *  
     * @return the updated value  
     */  
    public final int incrementAndGet() {  
     for (;;) {  
     //获取当前值  
     int current = get();  
     //设置期望值  
     int next = current + 1;  
     //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  
     if (compareAndSet(current, next))  
     //成功后才会返回期望值，否则无线循环  
     return next;  
     }  
    }  
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