4種常用Java線程鎖的特點(diǎn)颜凯，性能比較谋币、使用場景

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症概。雖然進(jìn)程的出現(xiàn)解決了操作系統(tǒng)的并發(fā)問題蕾额，但是人們?nèi)匀徊粷M足，人們逐漸對實(shí)時(shí)性有了要求彼城。

使用多線程的理由之一是和進(jìn)程相比，它是一種非车骶妫花銷小舱馅，切換快习柠，更”節(jié)儉”的多任務(wù)操作方式。

在Linux系統(tǒng)下武翎，啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間溶锭，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段垫毙，這是一種”昂貴”的多任務(wù)工作方式综芥。而在進(jìn)程中的同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程猎拨，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)额各，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，而且麻诀，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)間蝇闭。

多線程并發(fā)面臨的問題

image.png

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丁眼，那么就會(huì)存在一個(gè)問題：
如果多個(gè)線程要同時(shí)訪問某個(gè)資源昭殉，怎么處理挪丢？
在Java并發(fā)編程中，經(jīng)常遇到多個(gè)線程訪問同一個(gè) 共享資源惠啄，這時(shí)候作為開發(fā)者必須考慮如何維護(hù)數(shù)據(jù)一致性撵渡，這就是Java鎖機(jī)制(同步問題)的來源死嗦。
Java提供了多種多線程鎖機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式，常見的有：

synchronized
ReentrantLock
Semaphore
AtomicInteger等

每種機(jī)制都有優(yōu)缺點(diǎn)與各自的適用場景节腐，必須熟練掌握他們的特點(diǎn)才能在Java多線程應(yīng)用開發(fā)時(shí)得心應(yīng)手翼雀。

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)一致性狼渊。
synchronized機(jī)制是給共享資源上鎖类垦，只有拿到鎖的線程才可以訪問共享資源，這樣就可以強(qiáng)制使得對共享資源的訪問都是順序的官地。
Java開發(fā)人員都認(rèn)識synchronized驱入，使用它來實(shí)現(xiàn)多線程的同步操作是非常簡單的亏较，只要在需要同步的對方的方法掩缓、類或代碼塊中加入該關(guān)鍵字你辣，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)對象的同步代碼，可保證修飾的代碼在執(zhí)行過程中不會(huì)被其他線程干擾宴凉。使用synchronized修飾的代碼具有原子性和可見性弥锄，在需要進(jìn)程同步的程序中使用的頻率非常高蟆沫，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戒悠，因此其性能會(huì)隨著Java版本的不斷升級而提高救崔。
到了Java1.6，synchronized進(jìn)行了很多的優(yōu)化涎嚼，有適應(yīng)自旋矾麻、鎖消除主巍、鎖粗化、輕量級鎖及偏向鎖等孕索，效率有了本質(zhì)上的提高。在之后推出的Java1.7與1.8中散怖，均對該關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)機(jī)理做了優(yōu)化镇眷。
需要說明的是翎嫡，當(dāng)線程通過synchronized等待鎖時(shí)是不能被Thread.interrupt()中斷的惑申，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沿猜。
最后碗脊，盡管Java實(shí)現(xiàn)的鎖機(jī)制有很多種衙伶，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)鍵字赦拘，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方便躺同，后續(xù)工作由JVM來完成丸逸，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)捎谨，才考慮使用其他機(jī)制涛救，如ReentrantLock等。

2.ReentrantLock

可重入鎖舒萎，顧名思義逆甜，這個(gè)鎖可以被線程多次重復(fù)進(jìn)入進(jìn)行獲取操作致板。
ReentantLock繼承接口Lock并實(shí)現(xiàn)了接口中定義的方法斟或，除了能完成synchronized所能完成的所有工作外集嵌，還提供了諸如可響應(yīng)中斷鎖、可輪詢鎖請求怜珍、定時(shí)鎖等避免多線程死鎖的方法酥泛。
Lock實(shí)現(xiàn)的機(jī)理依賴于特殊的CPU指定嫌拣，可以認(rèn)為不受JVM的約束捶索，并可以通過其他語言平臺來完成底層的實(shí)現(xiàn)。在并發(fā)量較小的多線程應(yīng)用程序中，ReentrantLock與synchronized性能相差無幾捐凭，但在高并發(fā)量的條件下，synchronized性能會(huì)迅速下降幾十倍他宛，而ReentrantLock的性能卻能依然維持一個(gè)水準(zhǔn)人灼。
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：公平鎖與非公平鎖投放。
公平鎖指的是鎖的分配機(jī)制是公平的适贸，通常先對鎖提出獲取請求的線程會(huì)先被分配到鎖。反之烙样，JVM按隨機(jī)谒获、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批狱，默認(rèn)為非公平鎖。這是因?yàn)槌淳悖枪芥i實(shí)際執(zhí)行的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公平鎖爪膊，除非程序有特殊需要，否則最常用非公平鎖的分配機(jī)制峦阁。
ReentrantLock通過方法lock()與unlock()來進(jìn)行加鎖與解鎖操作耘成，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)異常而無法正常解鎖的情況疮方，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”疆栏，學(xué)過操作系統(tǒng)的都知道惫谤，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)臨界資源若专，因此同時(shí)最多只能給一個(gè)線程提供服務(wù)蝴猪。但是，在實(shí)際復(fù)雜的多線程應(yīng)用程序中嚎莉，可能存在多個(gè)臨界資源趋箩，這時(shí)候我們可以借助Semaphore信號量來完成多個(gè)臨界資源的訪問。
Semaphore基本能完成ReentrantLock的所有工作跳芳，使用方法也與之類似启妹，通過acquire()與release()方法來獲得和釋放臨界資源饶米。
經(jīng)實(shí)測，Semaphone.acquire()方法默認(rèn)為可響應(yīng)中斷鎖檬输，與ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致丧慈，也就是說在等待臨界資源的過程中可以被Thread.interrupt()方法中斷。
此外逃默，Semaphore也實(shí)現(xiàn)了可輪詢的鎖請求與定時(shí)鎖的功能，除了方法名tryAcquire與tryLock不同软吐，其使用方法與ReentrantLock幾乎一致吟税。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)定肖抱。
Semaphore的鎖釋放操作也由手動(dòng)進(jìn)行意述，因此與ReentrantLock一樣吮蛹，為避免線程因拋出異常而無法正常釋放鎖的情況發(fā)生，釋放鎖的操作也必須在finally代碼塊中完成天试。

4.AtomicInteger

首先說明喜每，此處AtomicInteger是一系列相同類的代表之一，常見的還有AtomicLong枫笛、AtomicLong等刚照，他們的實(shí)現(xiàn)原理相同，區(qū)別在與運(yùn)算對象類型的不同啊楚。
我們知道恭理，在多線程程序中郭变，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周伦。通常我們會(huì)使用synchronized將該操作變成一個(gè)原子操作横辆，但JVM為此類操作特意提供了一些同步類，使得使用更方便困肩，且使程序運(yùn)行效率變得更高。通過相關(guān)資料顯示勇劣，通常AtomicInteger的性能是ReentantLock的好幾倍比默。

Java線程鎖總結(jié)

synchronized：
在資源競爭不是很激烈的情況下，偶爾會(huì)有同步的情形下命咐，synchronized是很合適的醋奠。原因在于，編譯程序通常會(huì)盡可能的進(jìn)行優(yōu)化synchronize窜司，另外可讀性非常好。
ReentrantLock:
在資源競爭不激烈的情形下塞祈，性能稍微比synchronized差點(diǎn)點(diǎn)议薪。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笙蒙，而ReentrantLock確還能維持常態(tài)捅位。高并發(fā)量情況下使用ReentrantLock艇搀。
Atomic:
和上面的類似，不激烈情況下衷笋，性能比synchronized略遜辟宗，而激烈的時(shí)候吝秕，也能維持常態(tài)。激烈的時(shí)候容客，Atomic的性能會(huì)優(yōu)于ReentrantLock一倍左右缩挑。但是其有一個(gè)缺點(diǎn)供置，就是只能同步一個(gè)值绽快，一段代碼中只能出現(xiàn)一個(gè)Atomic的變量悲关，多于一個(gè)同步無效寓辱。因?yàn)樗荒茉诙鄠€(gè)Atomic之間同步秫筏。
所以挎挖，我們寫同步的時(shí)候蕉朵，優(yōu)先考慮synchronized，如果有特殊需要冷蚂，再進(jìn)一步優(yōu)化蝙茶。ReentrantLock和Atomic如果用的不好诸老，不僅不能提高性能，還可能帶來災(zāi)難蹄衷。

以上就是Java線程鎖的詳解厘肮，除了從編程的角度應(yīng)對高并發(fā)轴脐，更多還需要從架構(gòu)設(shè)計(jì)的層面來應(yīng)對高并發(fā)場景大咱，例如：Redis緩存注益、CDN丑搔、異步消息等提揍，詳細(xì)的內(nèi)容如下劳跃。