JAVA当中常用的锁 分析和讲解

Java中的锁是多线程编程中非常重要的概念，可以用来解决并发访问时的数据竞争问题。在Java中，锁的种类有多种，如synchronized、ReentrantLock和ReadWriteLock等，每种锁都有不同的使用场景和优缺点。本文将详细介绍Java中锁的相关知识，包括锁的概念、种类、应用场景、性能问题、优化以及注意事项等方面的内容。

Java中锁的概念

什么是锁？

锁是用来控制对共享资源的访问的工具，它可以确保在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。

锁的作用？

锁的作用是保护共享资源，避免多个线程同时访问共享资源导致数据竞争问题。

锁的分类？

Java中锁的分类可以分为两种：内置锁和显示锁。内置锁就是Java中的synchronized关键字，而显示锁则是Java中的ReentrantLock和ReadWriteLock。

Java中锁的种类

synchronized

synchronized是Java中最常用的锁，通过给方法或代码块加锁来控制对共享资源的访问。synchronized的使用非常简单，只需要在方法或代码块前加上关键字synchronized即可。

public synchronized void method() {
    // 访问共享资源的代码
}

ReentrantLock

ReentrantLock是Java中的显示锁，与synchronized相比，它提供了更多的特性，如可重入锁、公平锁、可中断等待锁等。使用ReentrantLock需要手动进行加锁和解锁。

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void method() {
    lock.lock();
    try {
        // 访问共享资源的代码
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

ReadWriteLock

ReadWriteLock是Java中的读写锁，它可以分为读锁和写锁，读锁可以被多个线程同时持有，写锁只能被一个线程独占。在读多写少的场景中，使用ReadWriteLock可以提高程序的并发性能。

private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

public void readMethod() {
    lock.readLock().lock();
    try {
        // 读取共享资源的代码
    } finally {
        lock.readLock().unlock();
    }
}

public void writeMethod() {
    lock.writeLock().lock();
    try {
        // 修改共享资源的代码
    } finally {
        lock.writeLock().unlock();
    }
}

Java中锁的应用场景

CPU密集型场景

在CPU密集型场景中，锁的粒度应该尽可能小，以减少锁竞争的概率，提高程序的并发性能。

IO密集型场景

在IO密集型场景中，使用锁的粒度并不是很重要，因为IO操作的等待时间很长，锁竞争的问题并不明显。但是，在一些需要频繁访问共享资源的场景中，仍然需要使用锁来避免数据竞争问题。

悲观锁和乐观锁

Java中的锁可以分为悲观锁和乐观锁。悲观锁就是在执行操作之前，先获取锁，以确保只有一个线程可以访问共享资源。而乐观锁则是假设共享资源不会被其他线程修改，在执行操作之前并不会获取锁，而是在写入共享资源时进行版本号的比较，以确保写入操作是正确的。

Java中锁的性能问题

锁竞争的问题

锁竞争是指多个线程同时竞争同一把锁的情况，这会导致程序的性能下降。为了避免锁竞争，可以采用锁分离和锁分段等技术，将锁的范围缩小到最小，以减少锁竞争的概率。

锁的粒度问题

锁的粒度是指锁的作用范围，如果锁的粒度太大，会导致线程间的竞争增加，从而降低程序的并发性能。而如果锁的粒度太小，会导致锁的数量增加，从而增加锁竞争的概率，也会降低程序的并发性能。因此，在实际应用中需要根据具体情况来确定锁的粒度。

锁的升级和降级问题

在Java中，锁的升级和降级是指锁从低级别到高级别或从高级别到低级别的转换。锁的升级和降级是为了提高程序的并发性能。在使用锁时，需要根据具体情况来确定锁的升级和降级策略，以提高程序的性能。

Java中锁的优化

锁的精细化控制

锁的精细化控制是指根据具体情况来确定锁的作用范围和粒度，以最大程度地减少锁竞争的概率，提高程序的并发性能。

锁的可重入性

锁的可重入性是指线程可以重复获取同一把锁，这样可以避免死锁问题。Java中的synchronized和ReentrantLock都支持锁的可重入性。

锁的公平性和非公平性

锁的公平性和非公平性是指在锁竞争的情况下，锁应该按照先来先服务的原则来分配，还是应该按照优先级来分配。Java中的ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种模式。

锁的自适应自旋和阻塞

锁的自适应自旋和阻塞是指在锁竞争的情况下，线程可以选择自旋等待或者阻塞等待。Java中的synchronized和ReentrantLock都支持锁的自适应自旋和阻塞。

锁的分段和分离

锁的分段和分离是指将锁的范围分散成多个部分，每个部分都可以独立地进行加锁和解锁操作。Java中的ConcurrentHashMap就是使用锁的分段和分离技术来提高程序的并发性能。

Java中锁的注意事项

死锁问题

死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放资源的情况，这会导致程序无法继续执行。为了避免死锁问题，可以采用合理的加锁顺序、避免嵌套锁等技术。

活锁和饥饿问题

活锁和饥饿问题是指线程在等待锁的过程中，由于竞争过于激烈，可能会导致线程一直无法获取锁，从而出现程序无法继续执行的情况。为了避免活锁和饥饿问题，可以采用公平锁、避免长时间等待锁等技术。

锁的释放问题

锁的释放问题是指在锁的使用过程中，如果锁没有正确释放，会导致其他线程无法获取锁，从而出现程序无法继续执行的情况。为了避免锁的释放问题，可以采用try-finally语句来确保锁的释放。

性能问题

锁的性能问题是指在使用锁的过程中，由于锁竞争过于激烈，可能会导致程序的性能下降。为了避免锁的性能问题，可以采用锁的分离和分段等技术，以减少锁竞争的概率。

并发问题

并发问题是指在多线程编程中，由于线程间的竞争，可能会导致程序的正确性受到影响。为了避免并发问题，需要使用适当的锁来保护共享资源，以避免数据竞争问题。

Java中锁的示例代码

下面是Java中锁的示例代码，包括synchronized、ReentrantLock和ReadWriteLock三种锁的使用方式：

public class LockExample {
    // synchronized锁的示例代码
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 访问共享资源的代码
    }

    // ReentrantLock锁的示例代码
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void reentrantLockMethod() {
        lock.lock();
        try {
            // 访问共享资源的代码
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // ReadWriteLock锁的示例代码
    private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void readWriteLockMethod() {
        readWriteLock.readLock().lock();
        try {
            // 读取共享资源的代码
        } finally {
            readWriteLock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void writeWriteLockMethod() {
        readWriteLock.writeLock().lock();
        try {
            // 修改共享资源的代码
        } finally {
            readWriteLock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

总结

本文对Java中锁的相关知识进行了详细介绍，包括锁的概念、种类、应用场景、性能问题、优化以及注意事项等方面的内容。在多线程编程中，锁是非常重要的概念，它可以用来解决并发访问时的数据竞争问题。在使用锁的过程中，需要根据具体情况来选择合适的锁，并注意锁的粒度、性能问题、死锁等并发问题。