Java中的各种锁--分类总结

前言

本文需要具备一定的多线程基础才能更好的理解。

学习java多线程时，最头疼的知识点之一就是java中的锁了，什么互斥锁、排它锁、自旋锁、死锁、活锁等等，细分的话可以罗列出20种左右的锁，光是看着这些名字就足以让人望而却步了，更别说一个个去理解它们的含义了。其实我要在这里告诉大家，我们看到的其实只是假象，其实根本没有这么多锁，或者这样说，这里边有很多锁其实就是一个东西，当我们从不同的侧重点去看的时候，它们就会衍生出不同的名字。本文就是着重将这些锁进行分门别类的总结，另外，本文不着重阐述锁的实现原理，大家有兴趣可以自行去查找，资料有很多，本文着重让大家理解这些锁的概。好了，废话不多说，进入正题。

一、由ReentrantLock和synchronized实现的一系列锁

jdk1.5的java.util.concurrent并发包中的Lock接口和1.5之前的synchronized或许是我们最常用的同步方式，这两种同步方式特别是Lock的ReentrantLock实现，经常拿来进行比较，其实他们有很多相似之处，其实它们在实现同步的思想上大致相同，只不过在一些细节的策略上（诸如抛出异常是否自动释放锁）有所不同。前边说过了，本文着重讲锁的实现思想和不同锁的概念与分类，不对实现原理的细节深究，因此我在下面介绍第一类锁的时候经常讲他们放在一起来说。我们先来说一下Lock接口的实现之一ReentrantLock。当我们想要创建ReentrantLock实例的时候，jdk为我们提供两种重载的构造函数，如下：

 1     /**
 2      * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
 3      * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
 4      */
 5     public ReentrantLock() {
 6         sync = new NonfairSync();
 7     }
 8 
 9     /**
10      * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
11      * given fairness policy.
12      *
13      * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
14      */
15     public ReentrantLock(boolean fair) {
16         sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
17     }

ReentrantLock

fair是什么意思？公平的意思，没错，这就是我们要说的第一种锁。

1.从其它等待中的线程是否按顺序获取锁的角度划分--公平锁与非公平锁
我先做个形象比喻，比如现在有一个餐厅，一次最多只允许一个持有钥匙的人进入用餐，那么其他没拿到钥匙的人就要在门口等着，等里面那个人吃完了，他出来他把钥匙扔地上，后边拿到钥匙的人才能进入餐厅用餐。

    公平锁：是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。所用公平锁就好像在餐厅的门口安装了一个排队的护栏，谁先来的谁就站的靠前，无法进行插队，当餐厅中的人用餐结束后会把钥匙交给排在最前边的那个人，以此类推。公平锁的好处是，可以保证每个排队的人都有饭吃，先到先吃后到后吃。但是弊端是，要额外安装排队装置。
    非公平锁：理解了公平锁，非公平锁就很好理解了，它无非就是不用排队，当餐厅里的人出来后将钥匙往地上一扔，谁抢到算谁的。但是这样就造成了一个问题，那些身强体壮的人可能总是会先抢到钥匙，而那些身体瘦小的人可能一直抢不到，这就有可能将一直抢不到钥匙，最后导致需要很长时间才能拿到钥匙甚至一直拿不到直至饿死。

    公平锁与非公平所的总结：

（1）公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率相对低一些；非公平锁的好处是整体效率相对高一些，但是有些线程可能会饿死或者说很早就在等待锁，但要等很久才会获得锁。其中的原因是公平锁是严格按照请求所的顺序来排队获得锁的，而非公平锁时可以抢占的，即如果在某个时刻有线程需要获取锁，而这个时候刚好锁可用，那么这个线程会直接抢占，而这时阻塞在等待队列的线程则不会被唤醒。

（2）在java中，公平锁可以通过new ReentrantLock(true)来实现；非公平锁可以通过new ReentrantLock(false)或者默认构造函数new ReentrantLock()实现。

（3）synchronized是非公平锁，并且它无法实现公平锁。

2.从能否有多个线程持有同一把锁的角度划分--互斥锁

互斥锁的概念非常简单，也就是我们常说的同步，即一次最多只能有一个线程持有的锁，当一个线程持有该锁的时候其它线程无法进入上锁的区域。在Java中synchronized就是互斥锁，从宏观概念来讲，互斥锁就是通过悲观锁的理念引出来的，而非互斥锁则是通过乐观锁的概念引申的。

3.从一个线程能否递归获取自己的锁的角度划分--重入锁（递归锁）

我们知道，一条线程若想进入一个被上锁的区域，首先要判断这个区域的锁是否已经被某条线程所持有。如果锁正在被持有那么线程将等待锁的释放，但是这就引发了一个问题，我们来看这样一段简单的代码：

 1 public class ReentrantDemo {
 2     private Lock mLock;
 3  
 4     public ReentrantDemo(Lock mLock) {
 5         this.mLock = mLock;
 6     }
 7  
 8     public void outer() {
 9         mLock.lock();
10         inner();
11         mLock.unlock();
12     }
13  
14     public void inner() {
15         mLock.lock();
16         // do something
17         mLock.unlock();
18     }
19 }

ReentrantDemo

当线程A调用outer()方法的时候，会进入使用传进来mlock实例来进行mlock.lock()加锁，此时outer()方法中的这片区域的锁mlock就被线程A持有了，当线程B想要调用outer()方法时会先判断，发现这个mlock这把锁被其它线程持有了，因此进入等待状态。我们现在不考虑线程B，单说线程A，线程A进入outer()方法后，它还要调用inner()方法，并且inner()方法中使用的也是mlock()这把锁，于是接下来有趣的事情就来了。按正常步骤来说，线程A先判断mlock这把锁是否已经被持有了，判断后发现这把锁确实被持有了，但是可笑的是，是A自己持有的。那你说A能否在加了mlock锁的outer()方法中调用加了mlock锁的inner方法呢？答案是如果我们使用的是可重入锁，那么递归调用自己持有的那把锁的时候，是允许进入的。

可重入锁：可以再次进入方法A，就是说在释放锁前此线程可以再次进入方法A（方法A递归）。
不可重入锁（自旋锁）：不可以再次进入方法A，也就是说获得锁进入方法A是此线程在释放锁钱唯一的一次进入方法A。

下面这段代码演示了不可重入锁：

 1 public class Lock{  
 2     private boolean isLocked = false;  
 3     public synchronized void lock()  
 4         throws InterruptedException{  
 5         while(isLocked){  
 6             wait();  
 7         }  
 8         isLocked = true;  
 9     }  
10  
11     public synchronized void unlock(){  
12         isLocked = false;  
13         notify();  
14     }  
15 }

不可重入锁

可以看到，当isLocked被设置为true后，在线程调用unlock()解锁之前不管线程是否已经获得锁，都只能wait()。

4.从编译器优化的角度划分--锁消除和锁粗化

锁消除和锁粗化，是编译器在编译代码阶段，对一些没有必要的、不会引起安全问题的同步代码取消同步（锁消除）或者对那些多次执行同步的代码且它们可以可并到一次同步的代码（锁粗化）进行的优化手段，从而提高程序的执行效率。
锁消除

对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据是来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而能被其他线程访问到，那就可以把他们当做栈上数据对待，认为他们是线程私有的，同步加锁自然就无需进行。

来看这样一个方法

1     public String concatString(String s1, String s2, String s3)
2     {
3         StringBuffer sb = new StringBuffer();
4         sb.append(s1);
5         sb.append(s2);
6         sb.append(s3);
7         return sb.toString();
8     }

View Code

1     public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) {
2         super.append(sb);
3         return this;
4     }

StringBuffer源码(append)

可见append的方法使用synchronized进行同步，我们知道对象的实例总是存在于堆中被多有线程共享，即使在局部方法中创建的实例依然存在于堆中，但是对该实例的引用是线程私有的，对其他线程不可见。即上边代码中虽然StringBuffer的实例是共享数据，但是对该实例的引用确实每条线程内部私有的。不同的线程引用的是堆中存在的不同的StringBuffer实例，它们互不影响互不可见。也就是说在concatString()方法中涉及了同步操作。但是可以观察到sb对象它的作用域被限制在方法的内部，也就是sb对象不会“逃逸”出去，其他线程无法访问。因此，虽然这里有锁，但是可以被安全的消除，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了

Java中的各种锁--分类总结

3.从一个线程能否递归获取自己的锁的角度划分--重入锁（递归锁）

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