java多线程的15种锁

article/2025/10/20 19:18:58

1 java锁分类

下面我们依照序号依次的介绍每一种锁

2 悲观锁和乐观锁

悲观锁和乐观锁是一种广义的概念，体现的是看待线程同步的不同的角度

悲观锁认为自己在使用数据的时候，一定有别的线程来修改数据，在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。

锁实现：关键字synchronized、接口Lock的实现类

使用的场景：写操作较多，先加锁可以保证写操作是数据正确

乐观锁认为自己在使用数据的时候不会有其他的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据
锁实现：CAS算法
使用场景：读操作较多，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升

3 阻塞和自旋锁

是指当一个线程在获取锁的饿时候，如果锁已经被其他线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断判断是否能够被成功获取，自旋知道获取到锁才会退出循环。自旋是通过CAS算法进行的。何为CAS算法呢？

CAS(compare and swap)：比较和交换，顾名思义就是先进行比较然后在进行交换。这里比较和交换是线程中的数据和内存中的数据之间的操作。

如下图所示：1 线程1和线程2都读取内存中的数据V赋值给A 2 线程1把V的值由0改为了1，并想把修改后的值写回到内存 3 线程1将A的值和V的值进行比较 4 两者相等，说明没有线程对V的值进行修改，直接把修改后的值（B=1）写入内存，此时，V=1。3 线程2进行将A的值和V的值进行比较 5 两者不相等，说明有线程对V的值进行修改，此时线程2不能够把修改后的值写入内存，因为它获得的A的值不是最新的，由A得到的B的值也可能是错误的。线程2会读取A的值，重新计算出B的值，再尝试重新写入，如果还是不相等在继续尝试，不断的自旋。

我们发现CAS算法存在一个非常明显的缺陷，那就是ABA问题。何为ABA问题呢？

如下图所示:线程1线程2 线程3 都获取A=V=0 1 线程1修改V的值为1 写入内存 2 线程2 把v的值改为2，但是没来的及写入，线程3 就开始运行 3 线程3 将V的值改为0 写入内存 4 线程2 比较A和V的值发现A=V，他自认为没有其他的线程对V进行修改，因而忽略了A->B->A的过程，形成了ABA问题。ABA的问题解决方法很简单：AtomicStampedReference在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一。

我们知道自旋是会消耗CPU资源的（不断循环），为什么不用阻塞的方式使等待的线程停止工作呢？原因有两个

（1）同步代码块逻辑简单情况下，自旋消耗的资源时很少的（在同步代码块逻辑简单的情况下，用自旋是比较合适的）

（2）最为关键的原因是阻塞与唤醒线程需要操作系统切换CPU状态，需要消耗一定的时间（CPU上下文切换）

那么为什么阻塞和唤醒线程会消耗大量时间呢？

因为线程的阻塞唤醒涉及大量的步骤，我们以线程阻塞为例进行说明

步骤1：线程1获取CPU时间片执行

步骤2：线程1被阻塞，上下文切换

步骤3：线程2抢占CPU时间片执行

步骤2涉及两个子步骤：

步骤2.1 从用户态切换到内核态

为什么要进行这种切换呢？

用户是没有权限对内存进行操作，我们要切换到内核态才有权对内存进行操作。

步骤2.2 把线程1的状态保存到PCB(内存)

我们到底要保存线程的哪些信息呢？

一个线程在运行时的内存模型主要有5个部分组成：（1）程序计数器：记录下一条指令的地址（2）虚拟机栈：保存函数的信息，例如，局部的变量，函数返回地址，操作数等（3）本地方法栈：和虚拟机栈类似，不过其保存的函数的信息是native函数（4）方法区：保存类的信息，静态变量等（5）堆：实例化的对象（堆是用户申请的（C语言中malloc函数），而栈是系统自动分配的）。很明显：程序计数器、虚拟机栈、方法区、堆等信息都会被保存到内存中。

可见上下文切换是非常耗时的。

4 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

随着竞争不断的加剧，锁要不断的升级。

（1）无锁：适用于单线程（2）偏向锁：适用于只有一个线程访问同步块的情况，因为多个线程同时访问同步块，给某一个线程特权是不合理的（3）轻量级锁：竞争不是太多，循环等待消耗CPU资源的线程的数量在可接受的范围（4）重量级锁：多个线程同时竞争资源，只让一个线程运行，其余的线程都阻塞

5 可重入锁和不可重入锁

可重入锁：一个线程可以多次获得同一把锁并通过state记录加了多少锁

6 公平锁和非公平锁

公平锁和非公平锁主要是关于等待的线程的排队的问题，这个排队要利用AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

我们以重入锁（ReentrantLock）为例解释AQS。AQS由三个部分组成，State：当前线程锁的个数、exclusiveOwerThread：当前占有锁的线程、CLH队列等待运行的线程。

1 线程1 CAS算法A=V(state)=0，修改state的值为1 2 线程1又想获取锁，此时A=V(state)=1，state再加1,无论A想获得多少次，只是state+1 3 线程2 进行CAS比较，发现A不等于V，并且发现state不等于0，直接到CLH列队中等待。线程3和线程4也一样到CLH队列中等待。如果先来的线程先排队，获取锁的优先权，则为公平锁。如果，无视等待队列，直接尝试获取锁，则为非公平锁。