多线程常见锁的策略(乐观锁悲观锁/读写锁/重量级与轻量级锁/公平与非公平锁/可重入与不可重入锁)

发布于:2022-11-09 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)


前言

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所谓锁的策略就是指如何实现锁。Java、MySQL、Go、C++等等都有类似的锁策略。

一、乐观锁和悲观锁

这两种锁都有相应的应用场景。

1.1 定义

乐观锁:

每次读写数据都认为不会发生冲突,线程不会阻塞,一般来说,只有在进行数据更新时才会检查是否发生冲突,若没有冲突,直接更新,只有冲突(多个线程都在更新数据)了才解决冲突问题。

当线程冲突不严重的时候,可以采用乐观锁策略来避免多次的加锁解锁操作。

悲观锁:

每次去读写数据都会冲突,每次在进行数据读写时都会上锁(互斥),保证同一时间段只有一个线程在读写数据。

当线程冲突严重时,就需要加锁,来避免线程频繁访问共享数据失效带来的CPU空转问题。

1.2 生动有趣滴例子

举个栗子:

悲观锁策略:

每次(线程)跑来找(线程或者资源)认为我忙着呢,先给我发个消息 “嗨嗨嗨,VIBE在吗?”(尝试加锁),我没回或者回了个”忙着呢“,就得等待(线程阻塞),一直等到我回复你”我好了“ (CPU唤醒了等待线程,尝试重新加锁),此时被唤醒,对我加锁,我们就可以愉快聊天了~

乐观锁策略:

认为每次找我的时候,我都闲着呢,直接就找我发消息要请我吃火锅(不上锁,直接访问数据),若我确实闲着呢(直接响应,避免了加锁和解锁的操作),如果我此时忙着呢,我就一直不回复,你一看我没及时回复你,你就跑去干别的事情了(线程不会阻塞,去干别的事情),过段时间再来。

乐观锁不是真的把线程阻塞了。乐观锁的实现一般都会采用版本号机制来实现~

1.3 版本号机制

乐观锁的一个重要功能就是要检测出数据是否发生访问冲突,我们可以引入一个”版本号“来解决。

  • 一般锁的实现都是乐观锁和悲观锁并用的策略。
  • synchronized最开始就是乐观锁,当竞争激烈再升级为悲观锁。

下面博主将画图详细讲解版本号机制:

(1) 线程1和2从主内存读取到数据到自己的工作内存中,此时版本号都是 ”1“。

在这里插入图片描述

(2)线程1把自己的V值改成30,线程2把自己的V值改成70

在这里插入图片描述

(3)假如线程1先完成修改,将数据版本号+1(version = 2),然后一起写回主内存

在这里插入图片描述

(4)此时线程2想更新自己的工作内存值到主内存,发现不满足”提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新“的乐观锁策略,就认为这次写回失败。

在这里插入图片描述

(5) 线程2写入失败,就从主存中读取最新的值和版本号到自己工作内存中,然后尝试在最新的数据上进行操作,若最后写回成功,主存和工作内存的值+1,否则执行CAS策略,不断重试写回,直到成功为止。

二、读写锁

2.1 读写锁的由来

多线程之间,数据的读取方之间不会产生线程安全问题,但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁,就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生

读写锁特别适用于线程基本都在读数据,很少有写数据的情况。

多线程访问数据时,并发读取数据不会有线程安全问题,只有在更新数据(增删改)时会有线程安全问题,将锁分为读锁写锁

  1. 多个线程并发访问读锁(读数据),则多个线程都能访问到数据,读锁和读锁是并发的,不互斥
  2. 两个线程都需要访问写锁(写数据),则这两个线程互斥,只有一个线程能成功获取到写锁,其他线程阻塞
  3. 当一个线程读,另一个线程(也互斥,只有当写线程结束时,读线程才能继续执行)

注意, 只要是涉及到 “互斥”, 就会产生线程的挂起等待. 一旦线程挂起, 再次被唤醒就不知道隔了多久了.
因此尽可能减少 “互斥” 的机会, 就是提高效率的重要途径

2.2 生动有趣de例子

举个栗子:

比如大家都看过的网文,作者在码字的时候,所有读者都得等作者写完,才能读。

2.3 ReentrantReadWriteLock 类

synchronized不是读写锁,JDK内置了另一个ReentrantReadWriteLock实现读写锁

  • ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.
  • ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象也提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.

三、重量级锁与轻量级锁

锁的核心特性 “原子性”, 这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的.
1.CPU 提供了 “原子操作指令”.
2.操作系统基于 CPU 的原子指令, 实现了 mutex 互斥锁.
3.JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类.

3.1 定义

重量级锁:

需要操作系统和硬件支持,线程获取重量级锁失败进入阻塞状态(os,用户态切换到内核态,开销非常大)

轻量级锁:

尽量在用户态执行操作,线程不阻塞,不会进行状态切换。

3.2 生动活泼の例子

举个栗子:

假如此时要去银行办理业务,窗口外部自己处理的业务就属于用户态,窗口内部需要工作人员协助的就处于内核态

重量级锁:若某个业务涉及到赚钱打款,就要频繁切换用户态和内核态,非常耗时。

轻量级锁:此时可以把这些操作业务都放在用户态解决

3.3 自旋锁(Spin Lock)

按之前的方式,线程在抢锁失败后进入阻塞状态,放弃 CPU,需要过很久才能再次被调度.
但实际上, 大部分情况下,虽然当前抢锁失败,但过不了很久,锁就会被释放。没必要就放弃 CPU. 这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题.

轻量级锁的常用实现就是采用自旋锁

自旋锁就是循环,以下是伪代码:

while (获取(lock) == false) {//循环}

线程获取锁失败并不会让出CPU线程也不阻塞,不会从用户态切换到内核态,线程在CPU空跑,当锁被释放,此时这个线程很快就会获取到锁。

举个栗子:

比如等红绿灯:

  1. 如果每次等都熄火,当绿灯再打火启动,这就是挂起等待锁
  2. 如果每次发动机不熄火,踩着刹车,等绿灯亮了可以直接走,这就是自旋锁

四、公平锁与非公平锁

公平锁:
获取锁失败的线程进入阻塞队列,当锁被释放,第一个进入队列的线程首先获取到锁(等待时间最长的线程获取到锁)

非公平锁:

获取锁失败的线程进入阻塞队列,当锁被释放,所有在队列中的线程都有机会获取到锁,获取到锁的线程不一定就是等待时间最长的线程

synchronized锁就是非公平锁

ReentrantLock默认是非公平锁,可以在构造方法中传入true开启公平锁

五、可重入锁和不可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”,即允许同一个线程多次获取同一把锁。

举个栗子:

比如一个递归函数里有加锁操作,递归过程中这个锁会阻塞自己吗?如果不会,那么这个锁就是可重入锁(因为这个原因可重入锁也叫做递归锁)。

Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁,而且JDK提供的所有现成的Lock实现类,包括synchronized关键字锁都是可重入的。

而 Linux 系统提供的 mutex不可重入锁.

总结

关于CAS引起的ABA问题,synchronized关键字原理,JUC的常见类等等,博主会在后续更新,有需要的老铁可以关注点赞+收藏,笔芯~