在多線程的學(xué)習(xí)中，很多時(shí)候都要用到鎖，但我們都知道，加鎖這個(gè)操作是一個(gè)計(jì)算機(jī)中開銷比較大的操作，因此，本篇文章我會帶大家學(xué)習(xí)在不同場景中進(jìn)行不同的加鎖處理方式，以讓程序更高效一些有關(guān)鎖策略不僅僅局限于某一種語言，在很多語言中都可能會遇到加鎖操作，而且這部分知識點(diǎn)也是面試中常見的問題，所以本篇文章內(nèi)容基本都是需要大家自己認(rèn)真理解并做到會用自己的語言組織起來的。內(nèi)容均為博主認(rèn)真總結(jié)，大家可以收藏起來慢慢學(xué)習(xí)，希望可以幫到大家哦！

一. 樂觀鎖和悲觀鎖

1. 字面理解

樂觀鎖認(rèn)為多個(gè)線程訪問同一個(gè)共享數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生并發(fā)沖突的概率不大，并不會真的加鎖， 而是直接嘗試訪問數(shù)據(jù)， 在訪問的同時(shí)識別當(dāng)前的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)訪問沖突，若沖突，則會返回當(dāng)前的錯誤信息讓用戶去決定如何去處理悲觀鎖會認(rèn)為多個(gè)線程訪問同一個(gè)共享數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生并發(fā)沖突的概率很大，因此往往會在取數(shù)據(jù)時(shí)會進(jìn)行加鎖操作，這樣的話其他線程想要拿到這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)就會阻塞等到直到其他線程獲取到鎖

補(bǔ)充：在Java中synchronized這一加鎖操作主要以悲觀鎖為主，初始使用樂觀鎖策略，但當(dāng)發(fā)現(xiàn)鎖競爭比較頻繁的時(shí)候，就會自動切換成悲觀鎖策略

2. 生活實(shí)例

在生活中有很多情況都能涉及到樂觀和悲觀的心態(tài)，比如今天是陰天，A認(rèn)為可能會下雨，會提前帶好傘，這就對應(yīng)到了悲觀鎖這一策略；而B比較樂觀，不會認(rèn)為會下雨，因此B不會帶傘，這顯然可以類比為樂觀鎖這一策略。

3. 基于版本號方式實(shí)現(xiàn)樂觀鎖

實(shí)現(xiàn)樂觀鎖策略這一功能的方式有很多，接下來我?guī)Т蠹胰W(xué)習(xí)一種：基于版本號方式。
假設(shè)我們要使用多線程修改用戶的賬戶余額，我們可以引入一個(gè)版本號來實(shí)現(xiàn)，具體方法如下：

設(shè)當(dāng)前的余額為100，引入一個(gè)版本號version，將其初始值設(shè)為1，并且我們規(guī)定，提交版本必須大于數(shù)據(jù)庫中記錄的當(dāng)前版本號才能執(zhí)行更新余額的操作，若不滿足此條件，則認(rèn)為修改失敗

圖示
以線程1想把主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)減50，線程2把主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)減20為例：

線程1此時(shí)準(zhǔn)備將主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀入自己的工作內(nèi)存中并修改，而線程2也想將主內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀入自己的工作內(nèi)存中并修改，此時(shí)線程1和線程2以及主內(nèi)存中的版本號都為1

當(dāng)線程1把主內(nèi)存的數(shù)據(jù)減50后，即修改后，會將自己工作內(nèi)存中的版本號加1，此時(shí)線程1工作內(nèi)存中的版本號大于主內(nèi)存中的版本號（2大于1），因此線程1成功修改了主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)50寫入主內(nèi)存中，最后將主內(nèi)存中的版本號加1（即為2）

此時(shí)線程2修改了自己工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，隨后將自己的工作內(nèi)存版本號改為2：

但正當(dāng)線程2準(zhǔn)備將其改好后的數(shù)據(jù)80寫入主內(nèi)存時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的版本號和主內(nèi)存的版本號都一樣，并不滿足大于關(guān)系，因此此次修改失敗，有效避免了多線程并發(fā)修改數(shù)據(jù)時(shí)引起的數(shù)據(jù)安全問題。
總結(jié)

基于版本號這樣實(shí)現(xiàn)樂觀鎖的機(jī)制就是一種典型的實(shí)現(xiàn)方式，這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式和之前所學(xué)過的單純的互斥的加鎖方式來說更加輕量一些（只修改版本號，只是在計(jì)算機(jī)中用戶態(tài)上進(jìn)行操作，而互斥加鎖方式會涉及到用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換，不僅效率不太高，也容易引起線程阻塞）對于這個(gè)機(jī)制來說，如果修改數(shù)據(jù)失敗，就會涉及到重試操作，如果頻繁重試的話那么效率也就不高了，因此，最好在線程并發(fā)沖突率比較低的場景下使用樂觀鎖這一方式比較好

二. 讀寫鎖

1. 理解

我們都知道，當(dāng)我們通過多線程方式嘗試修改同一數(shù)據(jù)時(shí)，一般都可能引發(fā)線程安全問題，但當(dāng)我們通過多線程方式嘗試讀取同一數(shù)據(jù)時(shí)，一般不會引發(fā)線程安全問題，因此，我們可以根據(jù)讀和寫的不同場景來給讀和寫操作分別加上不同的鎖。
Java當(dāng)中的synchronized不會對讀和寫進(jìn)行區(qū)分，默認(rèn)使用后線程都是互斥的

2. 用法

以Java為例，在標(biāo)準(zhǔn)庫中存在這樣一個(gè)類ReentrantReadWriteLock
源代碼如下

public class ReentrantReadWriteLock
        implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -6992448646407690164L;
    /** Inner class providing readlock */
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    /** Inner class providing writelock */
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    /** Performs all synchronization mechanics */
    final Sync sync;

    /**
     * Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with
     * default (nonfair) ordering properties.
     */
    public ReentrantReadWriteLock() {
        this(false);
    }

該類中提供了兩個(gè)方法：

    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }

此方法可以創(chuàng)建出一個(gè)讀鎖實(shí)例

public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }

此方法可以創(chuàng)建出一個(gè)寫鎖實(shí)例
某個(gè)線程被讀鎖修飾后，這兩個(gè)線程之間不會互斥，而是完全同時(shí)并發(fā)執(zhí)行，一般將讀鎖用于線程讀取數(shù)據(jù)比較多的場景；而當(dāng)某個(gè)線程被寫鎖修飾后，這兩個(gè)線程會互斥，一個(gè)線程會執(zhí)行，而另一個(gè)線程會阻塞等待，因此必須是一個(gè)線程執(zhí)行完了，另一個(gè)線程才會執(zhí)行，一般用于修改數(shù)據(jù)比較多的場景

三. 重量級鎖和輕量級鎖

1. 原理

鎖的核心特性 “原子性”，這樣的機(jī)制追根溯源是 CPU 這樣的硬件設(shè)備提供的

1.CPU 提供了 “原子操作指令”。
2. 操作系統(tǒng)基于 CPU 的原子指令，實(shí)現(xiàn)了 mutex 互斥鎖.
3. JVM 基于操作系統(tǒng)提供的互斥鎖。實(shí)現(xiàn)了 synchronized 和 ReentrantLock 等關(guān)鍵字和類。

注意：synchronized 并不僅僅是對 mutex 進(jìn)行封裝, 在 synchronized 內(nèi)部還做了很多其他的工作

2. 理解

1.重量級鎖依賴了OS提供的mutex，的開銷一般很大，往往是通過內(nèi)核來完成的
2.輕量級加鎖一般不使用mutex，開銷一般比較小，一般通過用戶態(tài)就能直接完成

3. 區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

我們可以類比一個(gè)生活中的例子，當(dāng)去銀行辦理業(yè)務(wù)時(shí)，如果是通過用戶在銀行工作人員的指導(dǎo)下自己在窗口外完成，那么效率會比較高，就像計(jì)算機(jī)中的用戶態(tài)一樣。而當(dāng)我們把自己的業(yè)務(wù)交給銀行相關(guān)人員去完成時(shí)，由于銀行工作人員的閑忙時(shí)間是不可控的，因此無法保證效率，就好比計(jì)算機(jī)中的內(nèi)核態(tài)。

四. 自旋鎖

1. 理解

當(dāng)兩個(gè)線程為了完成任務(wù)同時(shí)競爭一把鎖時(shí)， 拿到鎖的那個(gè)線程會立馬執(zhí)行任務(wù)，而沒拿到就會阻塞等待，當(dāng)一個(gè)線程把鎖釋放后，另一個(gè)線程不會被立即喚醒，而是等操作系統(tǒng)將其進(jìn)行一系列的調(diào)度到CPU中的操作才能被喚醒然后執(zhí)行任務(wù)，這種鎖叫做掛起等待鎖，線程在搶鎖失敗后進(jìn)入阻塞狀態(tài)，放棄 CPU，需要過很久才能再次被調(diào)度。但實(shí)際上，大部分情況下，雖然當(dāng)前搶鎖失敗，但過不了很久，鎖就會被釋放，所以沒必要就放棄 CPU。這個(gè)時(shí)候就可以使用自旋鎖來處理這樣的問題。

2. 實(shí)現(xiàn)方式

自旋鎖的偽代碼為：while (搶鎖(lock) == 失敗) {}

如果獲取鎖失敗，就會立即再嘗試獲取鎖，無限循環(huán)，直到獲取到鎖為止。第一次獲取鎖失敗, 第二次的嘗試會在非常短的時(shí)間內(nèi)到來，一旦鎖被其他線程釋放， 就能第一時(shí)間獲取到鎖

3. 優(yōu)缺點(diǎn)

自旋鎖是一種典型的輕量級鎖的實(shí)現(xiàn)方式，它沒有放棄 CPU， 不涉及線程阻塞和調(diào)度，一旦鎖被釋放，就能第一時(shí)間獲取到鎖，這樣會大大提高代碼的執(zhí)行效率，但如果鎖被其他線程持有的時(shí)間比較久， 那么就會持續(xù)地消耗 CPU 資源。(而掛起等待的時(shí)候是不消耗 CPU 的)
因此，我們應(yīng)該注意自旋鎖的適用場合：

• 如果多個(gè)線程執(zhí)行任務(wù)時(shí)鎖的沖突比較低，或者線程持有鎖的時(shí)間比較短，此時(shí)使用自旋鎖比較合適
• 如果某個(gè)線程任務(wù)對CPU比較敏感，且不希望吃太多CPU資源，那么此時(shí)就不太適合使用自旋鎖。

注意：synchronized自身已經(jīng)設(shè)置好了自旋鎖和掛起等待鎖，會根據(jù)不同的情況自動選擇最優(yōu)的使用方案

五. 公平鎖和非公平鎖

1. 理解

若有三個(gè)線程 A，B，C。
A先嘗試獲取鎖，獲取成功了，因?yàn)橹挥幸话焰i，所以B和C線程都會阻塞等待，那么如果A用完了鎖后，B和C線程哪一個(gè)會最先獲取到鎖呢？

• 公平鎖：遵守先來后到原則，因?yàn)锽線程比C線程來的早一點(diǎn)，所以B線程先獲取到鎖
• 非公平鎖：沒有先來后到原則，B和C線程獲取到鎖的概率是隨機(jī)的

2. 注意事項(xiàng)

操作系統(tǒng)內(nèi)部的線程調(diào)度就可以視為是隨機(jī)的，如果不做任何額外的限制，鎖就是非公平鎖。如果要想實(shí)現(xiàn)公平鎖，就需要依賴額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如隊(duì)列） 來記錄線程們的先后順序。公平鎖和非公平鎖沒有好壞之分, 關(guān)鍵還是看適用場景（大部分情況下非公平鎖就夠用了，但當(dāng)我們希望線程的調(diào)度時(shí)間成本是可控的，那么此時(shí)就需要用到公平鎖了）

注意：synchronized為非公平鎖

六. 可重入鎖和不可重入鎖

1. 為什么要引入這兩把鎖

（1）實(shí)例一

在介紹可重入鎖和不可重入鎖之前，大家先來思考一個(gè)問題，為什么Java中的main函數(shù)要用static來修飾？

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        
    }
}

試想以下，如果main函數(shù)不是static來修飾的話：

public class Test {
    public void main(String[] args) {
        Test a=new Test();
        a.main();
    }
}

那么此時(shí)這段代碼能否被執(zhí)行呢?答案是不能，因?yàn)樵趈ava中，沒有static的變量或函數(shù)，如果想被調(diào)用的話，是要先新建一個(gè)對象才可以。而main函數(shù)作為程序的入口，需要在其它函數(shù)實(shí)例化之前就啟動，這也就是為什么要加一個(gè)static。main函數(shù)好比一個(gè)門，要探索其它函數(shù)要先從門進(jìn)入程序。static提供了這樣一個(gè)特性，無需建立對象，就可以啟動。也可以利用反證法說明，如果不是static修飾的，若不是靜態(tài)的，main函數(shù)調(diào)用的時(shí)候需要new對象，new完對象才能調(diào)用main函數(shù)。那么你既想進(jìn)入到main函數(shù)new對象，又想new完對象來調(diào)用main函數(shù)，那么就不行了，相當(dāng)于自己把自己鎖在里面出不來了

（2）實(shí)例二

另外一個(gè)Java當(dāng)中的例子：

 synchronized void func1(){
        func2();
    }
    synchronized void func2(){
        
    }

我們對func1這個(gè)方法進(jìn)行加鎖時(shí)，是可以成功的，但當(dāng)我們對func2這個(gè)方法再次加鎖后，就比較危險(xiǎn)了。因?yàn)橐獔?zhí)行完func1這個(gè)方法，就必須執(zhí)行完func2，而此時(shí)鎖已經(jīng)被func1這個(gè)方法占用了，func2獲取不到鎖，所以func2就會一直阻塞等待，去等func1釋放鎖，但func1一直執(zhí)行不完成，所以鎖永遠(yuǎn)不會釋放，func2永遠(yuǎn)也獲取不到鎖，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)，相當(dāng)于自己把自己鎖在里面出不來了，此時(shí)這個(gè)線程就會崩潰，是比較危險(xiǎn)的

2. 實(shí)現(xiàn)方案

了解了上面兩個(gè)實(shí)例的嚴(yán)重性后，我們引入了可重入鎖這個(gè)機(jī)制，當(dāng)我們形成死鎖后，如果是可重入鎖的話，它不會讓線程阻塞等待最終死鎖從而奔潰，而是運(yùn)用計(jì)數(shù)器的方法，去記錄當(dāng)前某個(gè)線程針對某把鎖嘗試加了幾次，每加一次鎖計(jì)數(shù)都會加1，每次解鎖計(jì)數(shù)都會減1，這樣當(dāng)計(jì)數(shù)器里面的計(jì)數(shù)完全為0的時(shí)候才會真正釋放鎖，正是因?yàn)橛辛诉@樣的機(jī)制，才有效避免了死鎖問題。而在Java中，synchronized就是一把可重入鎖，它給我們提供了很大的方便，保證在我們即使造成死鎖問題時(shí)，程序也不至于崩潰。

七. 面試題

第一題

如何理解樂觀鎖和悲觀鎖，具體實(shí)現(xiàn)方式如何 如何理解？

見樂觀鎖和悲觀鎖字面理解部分（嘗試用自己的語言組織）實(shí)現(xiàn)方式：
（1）樂觀鎖：見基于版本號方式實(shí)現(xiàn)樂觀鎖部分
（2）悲觀鎖：多個(gè)線程訪問同一個(gè)共享數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生并發(fā)沖突時(shí)，會在取數(shù)據(jù)時(shí)會進(jìn)行加鎖操作，這樣的話其他線程想要拿到這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)就會阻塞等到直到其他線程獲取到鎖

第二題

簡單介紹一下讀寫鎖

讀寫鎖實(shí)際是一種特殊的自旋鎖，它能把同一塊共享數(shù)據(jù)的訪問者分為讀者和寫者，讀寫鎖會把讀操作和寫操作分別進(jìn)行加鎖，且讀鎖和讀鎖之間的線程不會發(fā)生互斥，寫鎖和寫鎖之間以及讀鎖和寫鎖之間的線程會發(fā)生互斥。讀鎖適用于線程讀取數(shù)據(jù)比較多的場景，而寫鎖適用于線程修改數(shù)據(jù)比較多的場景。

第三題

簡單介紹一下自旋鎖

• 理解：當(dāng)兩個(gè)線程為了完成任務(wù)同時(shí)競爭一把鎖時(shí)， 拿到鎖的那個(gè)線程會立馬執(zhí)行任務(wù)，而沒拿到鎖的線程就會立即再嘗試獲取鎖，無限循環(huán)，直到獲取到鎖為止，這樣的鎖就叫自旋鎖
• 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：見自旋鎖優(yōu)缺點(diǎn)部分

第四題

簡單介紹一下Java中synchronized充當(dāng)了哪些鎖

• 主要以悲觀鎖為主，初始使用樂觀鎖策略，但當(dāng)發(fā)現(xiàn)鎖競爭比較頻繁的時(shí)候，就會自動切換成悲觀鎖策略
• 并不區(qū)分讀寫鎖
• synchronized自身已經(jīng)設(shè)置好了自旋鎖和掛起等待鎖，會根據(jù)不同的情況自動選擇最優(yōu)的使用方案
• synchronized是一把非公平鎖
• synchronized就是一把可重入鎖

到此這篇關(guān)于Java面試最容易被刷的重難點(diǎn)之鎖的使用策略的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 鎖內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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