多線程的緣由

在出現(xiàn)了進(jìn)程之后，操作系統(tǒng)的性能得到了大大的提升。雖然進(jìn)程的出現(xiàn)解決了操作系統(tǒng)的并發(fā)問(wèn)題，但是人們?nèi)匀徊粷M足，人們逐漸對(duì)實(shí)時(shí)性有了要求。

使用多線程的理由之一是和進(jìn)程相比，它是一種非常花銷小，切換快，更”節(jié)儉”的多任務(wù)操作方式。

在Linux系統(tǒng)下，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來(lái)維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種”昂貴”的多任務(wù)工作方式。而在進(jìn)程中的同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動(dòng)一個(gè)線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且，線程間彼此切換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間。

多線程并發(fā)面臨的問(wèn)題

由于多個(gè)線程是共同占有所屬進(jìn)程的資源和地址空間的，那么就會(huì)存在一個(gè)問(wèn)題：

如果多個(gè)線程要同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)資源，怎么處理？

在Java并發(fā)編程中，經(jīng)常遇到多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè) 共享資源 ，這時(shí)候作為開(kāi)發(fā)者必須考慮如何維護(hù)數(shù)據(jù)一致性，這就是Java鎖機(jī)制（同步問(wèn)題）的來(lái)源。

Java提供了多種多線程鎖機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式，常見(jiàn)的有：

synchronized

ReentrantLock

Semaphore

AtomicInteger等

每種機(jī)制都有優(yōu)缺點(diǎn)與各自的適用場(chǎng)景，必須熟練掌握他們的特點(diǎn)才能在Java多線程應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)得心應(yīng)手。

4種Java線程鎖（線程同步）

1.synchronized

在Java中synchronized關(guān)鍵字被常用于維護(hù)數(shù)據(jù)一致性。

synchronized機(jī)制是給共享資源上鎖，只有拿到鎖的線程才可以訪問(wèn)共享資源，這樣就可以強(qiáng)制使得對(duì)共享資源的訪問(wèn)都是順序的。

Java開(kāi)發(fā)人員都認(rèn)識(shí)synchronized，使用它來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程的同步操作是非常簡(jiǎn)單的，只要在需要同步的對(duì)方的方法、類或代碼塊中加入該關(guān)鍵字，它能夠保證在同一個(gè)時(shí)刻最多只有一個(gè)線程執(zhí)行同一個(gè)對(duì)象的同步代碼，可保證修飾的代碼在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)被其他線程干擾。使用synchronized修飾的代碼具有原子性和可見(jiàn)性，在需要進(jìn)程同步的程序中使用的頻率非常高，可以滿足一般的進(jìn)程同步要求。

synchronized （obj） {

//方法

…….

}

synchronized實(shí)現(xiàn)的機(jī)理依賴于軟件層面上的JVM，因此其性能會(huì)隨著Java版本的不斷升級(jí)而提高。

到了Java1.6，synchronized進(jìn)行了很多的優(yōu)化，有適應(yīng)自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級(jí)鎖及偏向鎖等，效率有了本質(zhì)上的提高。在之后推出的Java1.7與1.8中，均對(duì)該關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)機(jī)理做了優(yōu)化。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)線程通過(guò)synchronized等待鎖時(shí)是不能被Thread.interrupt（）中斷的，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)必須檢查確保合理，否則可能會(huì)造成線程死鎖的尷尬境地。

最后，盡管Java實(shí)現(xiàn)的鎖機(jī)制有很多種，并且有些鎖機(jī)制性能也比synchronized高，但還是強(qiáng)烈推薦在多線程應(yīng)用程序中使用該關(guān)鍵字，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方便，后續(xù)工作由JVM來(lái)完成，可靠性高。只有在確定鎖機(jī)制是當(dāng)前多線程程序的性能瓶頸時(shí)，才考慮使用其他機(jī)制，如ReentrantLock等。

2.ReentrantLock

可重入鎖，顧名思義，這個(gè)鎖可以被線程多次重復(fù)進(jìn)入進(jìn)行獲取操作。

ReentantLock繼承接口Lock并實(shí)現(xiàn)了接口中定義的方法，除了能完成synchronized所能完成的所有工作外，還提供了諸如可響應(yīng)中斷鎖、可輪詢鎖請(qǐng)求、定時(shí)鎖等避免多線程死鎖的方法。

Lock實(shí)現(xiàn)的機(jī)理依賴于特殊的CPU指定，可以認(rèn)為不受JVM的約束，并可以通過(guò)其他語(yǔ)言平臺(tái)來(lái)完成底層的實(shí)現(xiàn)。在并發(fā)量較小的多線程應(yīng)用程序中，ReentrantLock與synchronized性能相差無(wú)幾，但在高并發(fā)量的條件下，synchronized性能會(huì)迅速下降幾十倍，而ReentrantLock的性能卻能依然維持一個(gè)水準(zhǔn)。

因此我們建議在高并發(fā)量情況下使用ReentrantLock。

ReentrantLock引入兩個(gè)概念：公平鎖與非公平鎖。

公平鎖指的是鎖的分配機(jī)制是公平的，通常先對(duì)鎖提出獲取請(qǐng)求的線程會(huì)先被分配到鎖。反之，JVM按隨機(jī)、就近原則分配鎖的機(jī)制則稱為不公平鎖。

ReentrantLock在構(gòu)造函數(shù)中提供了是否公平鎖的初始化方式，默認(rèn)為非公平鎖。這是因?yàn)?#xff0c;非公平鎖實(shí)際執(zhí)行的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公平鎖，除非程序有特殊需要，否則最常用非公平鎖的分配機(jī)制。

ReentrantLock通過(guò)方法lock（）與unlock（）來(lái)進(jìn)行加鎖與解鎖操作，與synchronized會(huì)被JVM自動(dòng)解鎖機(jī)制不同，ReentrantLock加鎖后需要手動(dòng)進(jìn)行解鎖。為了避免程序出現(xiàn)異常而無(wú)法正常解鎖的情況，使用ReentrantLock必須在finally控制塊中進(jìn)行解鎖操作。通常使用方式如下所示：

Lock lock = new ReentrantLock（）;

try {

lock.lock（）;

//…進(jìn)行任務(wù)操作5 }

finally {

lock.unlock（）;

}

3.Semaphore

上述兩種鎖機(jī)制類型都是“互斥鎖”，學(xué)過(guò)操作系統(tǒng)的都知道，互斥是進(jìn)程同步關(guān)系的一種特殊情況，相當(dāng)于只存在一個(gè)臨界資源，因此同時(shí)最多只能給一個(gè)線程提供服務(wù)。但是，在實(shí)際復(fù)雜的多線程應(yīng)用程序中，可能存在多個(gè)臨界資源，這時(shí)候我們可以借助Semaphore信號(hào)量來(lái)完成多個(gè)臨界資源的訪問(wèn)。

Semaphore基本能完成ReentrantLock的所有工作，使用方法也與之類似，通過(guò)acquire（）與release（）方法來(lái)獲得和釋放臨界資源。

經(jīng)實(shí)測(cè)，Semaphone.acquire（）方法默認(rèn)為可響應(yīng)中斷鎖，與ReentrantLock.lockInterruptibly（）作用效果一致，也就是說(shuō)在等待臨界資源的過(guò)程中可以被Thread.interrupt（）方法中斷。

此外，Semaphore也實(shí)現(xiàn)了可輪詢的鎖請(qǐng)求與定時(shí)鎖的功能，除了方法名tryAcquire與tryLock不同，其使用方法與ReentrantLock幾乎一致。Semaphore也提供了公平與非公平鎖的機(jī)制，也可在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行設(shè)定。

Semaphore的鎖釋放操作也由手動(dòng)進(jìn)行，因此與ReentrantLock一樣，為避免線程因拋出異常而無(wú)法正常釋放鎖的情況發(fā)生，釋放鎖的操作也必須在finally代碼塊中完成。

4.AtomicInteger

首先說(shuō)明，此處AtomicInteger是一系列相同類的代表之一，常見(jiàn)的還有AtomicLong、AtomicLong等，他們的實(shí)現(xiàn)原理相同，區(qū)別在與運(yùn)算對(duì)象類型的不同。

我們知道，在多線程程序中，諸如++i
或
i++等運(yùn)算不具有原子性，是不安全的線程操作之一。通常我們會(huì)使用synchronized將該操作變成一個(gè)原子操作，但JVM為此類操作特意提供了一些同步類，使得使用更方便，且使程序運(yùn)行效率變得更高。通過(guò)相關(guān)資料顯示，通常AtomicInteger的性能是ReentantLock的好幾倍。

Java線程鎖總結(jié)

1.synchronized：

在資源競(jìng)爭(zhēng)不是很激烈的情況下，偶爾會(huì)有同步的情形下，synchronized是很合適的。原因在于，編譯程序通常會(huì)盡可能的進(jìn)行優(yōu)化synchronize，另外可讀性非常好。

2.ReentrantLock:

在資源競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差點(diǎn)點(diǎn)。但是當(dāng)同步非常激烈的時(shí)候，synchronized的性能一下子能下降好幾十倍，而ReentrantLock確還能維持常態(tài)。

高并發(fā)量情況下使用ReentrantLock。

3.Atomic:

和上面的類似，不激烈情況下，性能比synchronized略遜，而激烈的時(shí)候，也能維持常態(tài)。激烈的時(shí)候，Atomic的性能會(huì)優(yōu)于ReentrantLock一倍左右。但是其有一個(gè)缺點(diǎn)，就是只能同步一個(gè)值，一段代碼中只能出現(xiàn)一個(gè)Atomic的變量，多于一個(gè)同步無(wú)效。因?yàn)樗荒茉诙鄠€(gè)Atomic之間同步。

所以，我們寫(xiě)同步的時(shí)候，優(yōu)先考慮synchronized，如果有特殊需要，再進(jìn)一步優(yōu)化。ReentrantLock和Atomic如果用的不好，不僅不能提高性能，還可能帶來(lái)災(zāi)難。

以上就是Java線程鎖的詳解，除了從編程的角度應(yīng)對(duì)高并發(fā)，更多還需要從架構(gòu)設(shè)計(jì)的層面來(lái)應(yīng)對(duì)高并發(fā)場(chǎng)景，例如：Redis緩存、CDN、異步消息等，詳細(xì)的內(nèi)容如下。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程系列(四)：4种常用Java线程锁的特点，性能比较、使用场景的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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