Java 多线程之锁概念理解

一、概述

• 在多线程编程中，有乐观锁、悲观销、自旋锁、读写锁、排他锁、共享锁、统一锁、分段锁等很多锁的概念。要理解这些概念，我们先从以下概念了解。

• 进程（Process）是计算机中运行的程序的实例。。

  • 进程之间相互独立，拥有独立的内存空间，彼此不受影响。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

• 线程（Thread）是进程中的执行单元，是操作系统进行调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程，它们共享相同的资源，如代码段、数据段和文件描述符等。

  • 特点： 线程间相对于进程更轻量级，它们共享进程的地址空间和系统资源。多线程的程序能够更有效地利用多核处理器，提高并发性。
  • 通信：线程之间可以通过共享内存等方式进行通信，但也需要考虑同步和互斥问题，以确保数据的一致性。也就衍生出各种锁。

• 纤程（Fiber）是一种轻量级的、用户态的线程，也称为“协程”（Coroutine）。不同于操作系统级的线程，纤程的调度由用户程序控制，而不是由操作系统。

  • 特点： 纤程在用户空间运行，避免了操作系统的上下文切换开销，因此更轻量级。它能够暂停和恢复执行，允许协同式调度，不依赖于操作系统的调度器。

  • 通信： 纤程之间的通信通常通过直接调用函数、共享变量等方式实现，而不需要使用操作系统提供的线程同步机制。

• 进程是独立的执行实体，线程是进程中的执行单元，而纤程是一种轻量级的用户态线程。它们在程序执行和并发编程中有着不同的应用场景和特点。

二、乐观锁 / 悲观锁

2.1 区分乐观锁和悲观锁

在并发编程中，根据处理方式不同将锁分为悲观锁和乐观锁两类。

• 乐观锁（Optimistic Locking）：乐观锁的基本思想是认为在并发环境下，冲突和竞争的概率较低，因此不会立即加锁，而是在更新数据时进行版本号或时间戳的检查，如果在更新期间数据没有被其他线程修改，则认为操作是安全的，否则需要进行回退或重试。乐观锁适用于读操作频繁、冲突概率较低的场景。例如使用 CAS (Compare and Swap) 操作或版本号控制实现的乐观锁。在 Java 中 StampedLock类 的乐观读锁和 java.util.concurrent.atomic.Atomic* 类都是乐观锁实现的例子。

  乐观锁：先干事，有问题再处理。假设坏事未必发生，事后补偿。

• 悲观锁（Pessimistic Locking）：悲观锁的基本思想是认为在并发环境下，会发生冲突和竞争，因此采取保守的策略，假设会发生冲突，每次访问数据时都会加上锁，保证只有一个线程可以访问数据，其他线程需要等待锁的释放。悲观锁适用于对数据修改频繁、冲突概率较高的场景。例如使用 synchronized 关键字或 ReentrantLock 类实现的独占锁。

  非观锁：先上锁，不让问题出现。否则坏事一定发生，事先预防。

• 悲观锁和乐观锁并不是绝对的，而是相对的概念，具体的锁类型取决于实现方式和应用场景。在实际应用中，可以根据具体需求选择适合的锁机制来实现并发控制。

2.2 相关概念

• CAS（Compare-And-Swap）是一种原子性的操作，它用于在并发环境中实现同步。CAS 操作是乐观锁定机制的一种实现，因为它假定在比较和更新期间不会有其他线程干扰。如果其他线程已经修改了该值，CAS 操作将失败，需要重试。
• 自旋锁是一种基本的同步机制，它使用忙等待（自旋）的方式尝试获取锁。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程占用，该线程会一直循环检测锁的状态，而不是放弃 CPU 执行权。自旋锁是一种悲观锁，因为它假定在获取锁的时候可能会发生竞争。
• java.util.concurrent.atomic.Atomic* 类类的实现使用了自旋锁和CAS的概念。

三、共享锁/排他锁/读写锁

3.1 区分共享锁和排他锁

根据对共享资源的访问权限将锁分为共享锁和排他锁两类。

• 共享锁（Shared Lock）： 共享锁是一种非独占锁，它允许多个事务同时获得对共享资源的访问权限。多个事务可以同时持有相同资源的共享锁，但当一个事务持有共享锁时，其他事务无法获得该资源的排他锁。共享锁通常用于在读操作时确保多个事务可以同时访问相同的数据而不会产生冲突。在 Java 中 Semaphore 可用于共享锁类型资源限制。

  共享锁：如读写锁中的读锁，可以有多个线程能访问

• 排他锁（Exclusive Lock）： 排他锁是一种独占锁，它授予持有锁的事务对共享资源的独占访问权限。当一个事务获得了排他锁，其他事务将被阻塞，无法同时获得相同资源的排他锁或共享锁。排他锁用于确保在事务进行更新、删除等写操作时，不会有其他事务同时修改相同的数据，以防止数据不一致。排他锁就是一种典型的悲观锁，参考悲观锁实现。

  排他锁：如读写锁中的写锁，只能有一个线程能访问

• 排他锁是独占锁，一次只能有一个事务持有，而共享锁是非独占锁，允许多个事务同时持有。

3.2 读写锁（一种特殊的锁）

• 读锁（共享锁）：读锁是共享的，意味着多个线程可以同时获得读锁，以便并发读取共享资源。读锁不会阻塞其他读锁的获取，但会阻塞写锁的获取，以确保在写入时独占资源。

  读锁：读的时候，不允许写，但是允许同时读

• 写锁（排他锁）：写锁是排他的，一旦一个线程获得了写锁，其他线程无法同时获取读锁或写锁。写锁用于确保在写入时对共享资源的独占访问，防止其他线程读取或写入。

  写锁：写的时候，不允许写，也不允许读

• 在 Java 中，ReentrantReadWriteLock 和 StampedLock 实现了读写锁。

四、统一锁/分段锁

根据锁的范围和颗粒度将锁分为统一锁和分段锁两类。

• 统一锁（Global Lock）：统一锁指的是一把锁用于保护整个共享资源。这意味着无论是读操作还是写操作，都需要获取同一把锁。这样的锁粒度较大，可能会导致并发性能瓶颈，因为在任何时刻只能有一个线程能够访问整个共享资源。

  统一锁：锁的颗粒度大，锁住整个共享资源。解决因锁定A等待B，且锁定B等待A容易造成死锁，所以A+B统一加大锁。

• 分段锁（Segmented Lock）：分段锁是一种将共享资源划分为多个段（或分段），每个段都有一把独立的锁。不同的线程可以同时访问不同的段，从而提高并发性能。这种方式允许多个线程同时读取或修改不同的部分，而不必互相等待。在 Java 中，ConcurrentHashMap 使用了分段锁的概念。

  分段锁：锁的颗粒度小，每个段都有独立的锁。

• 使用统一锁的情况通常是在共享资源的竞争情况较小或者对并发性能要求不高的情况下。使用分段锁的情况通常是在共享资源可以被有效划分，并发访问的部分相对独立的情况下，以提高并发性能。