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java的无锁编程和锁机制

news 2025/6/27 19:29:06

Java 的并发编程中，为了保证线程安全和高性能，采用了两种主要的同步手段：锁机制和无锁编程。以下是对锁机制、无锁编程、死锁及其避免的详细讲解。

一、无锁编程

无锁编程通过原子操作来避免传统锁，从而减少线程的上下文切换，提升性能。在 Java 中，通常使用 java.util.concurrent.atomic 包中的类来实现无锁操作。

1.1. 无锁编程的核心：CAS（Compare-And-Swap）

CAS 是无锁编程的核心机制，用来实现原子性更新。CAS 操作有三个参数：

V：内存地址的变量值
E：期望值
N：新值

在进行 CAS 操作时，如果 V == E，则 V 更新为 N，如果不相等，表示有其他线程在操作这个值，操作失败。这样实现了原子性更新。

1.2. Java 中的无锁实现

原子变量：Java 提供了一些原子类，如 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference，它们通过底层的 CAS 实现来保证原子性。
```
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.incrementAndGet();  // 原子性递增
```
自旋锁：通过不断循环检查某个条件来决定是否进入临界区。CAS 属于一种自旋锁。Java 的 ReentrantLock 提供 tryLock 方法来实现非阻塞的加锁逻辑。
无锁集合：Java 提供了 ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentLinkedDeque 等无锁集合类，这些类基于 CAS 操作设计，支持高并发环境下的操作。

1.3. 无锁编程的优缺点

优点：
- 避免线程阻塞，减少上下文切换。
- 性能高，适合高并发环境。
缺点：
- 逻辑复杂，CAS 循环可能导致高开销。
- ABA 问题：CAS 判断时，如果变量的值由 A 变为 B，再变回 A，会误判未变化。Java 使用 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。

二、锁机制详解和分类

Java 提供了多种锁机制，以 synchronized 和 ReentrantLock 为代表。锁机制分为多种类型，根据其特性可分为以下几类。

2.1 锁的分类

可重入锁（Reentrant Lock）
- 概念：允许同一线程在持有锁的情况下多次获得该锁。Java 中的 synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。
- 实现：维护一个计数器记录同一线程重复获得锁的次数，解锁时减少计数，直至计数为零时释放锁。
- 优点：防止死锁，允许递归调用。
公平锁和非公平锁
- 公平锁：多个线程按照请求锁的顺序获得锁。ReentrantLock 可以通过构造函数设置为公平锁。
- 非公平锁：线程获取锁的顺序不固定，可能出现“插队”，有时提高性能。synchronized 和 ReentrantLock 默认是非公平锁。
- 优缺点：公平锁保证了请求的顺序，避免了线程饥饿；非公平锁在高并发场景下能减少上下文切换，性能更高。
独占锁和共享锁
- 独占锁：一次只能被一个线程持有，synchronized 和 ReentrantLock 是独占锁的典型代表。
- 共享锁：多个线程可以共享该锁，如 ReadWriteLock，允许多个读线程同时访问，但写线程独占。
- 使用场景：共享锁适合读多写少的场景，避免独占锁的性能瓶颈。
悲观锁和乐观锁
- 悲观锁：认为每次操作都会引起冲突，因此上锁以避免冲突，synchronized 和 ReentrantLock 都是悲观锁。
- 乐观锁：假设冲突很少发生，因此不加锁，而是通过 CAS 来检测冲突，重试直到成功。这种机制用于无锁编程。
- 使用场景：乐观锁适用于读多写少的场景，悲观锁适合冲突频繁的场景。
自旋锁
- 概念：线程获取锁时不会立即阻塞，而是采用“忙等”方式尝试获取锁。
- 优点：减少线程挂起和恢复的开销，但会消耗 CPU 资源。
- 使用场景：适用于锁等待时间短的情况，如 CAS 自旋机制。

2.2 锁的实现示例

synchronized：Java 内置关键字，简单易用，具有可重入性。由 JVM 实现，不支持超时。

ReentrantLock：是 Java 并发包中更灵活的锁，可以实现公平锁、超时等待、响应中断。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 临界区代码
} finally {lock.unlock();
}

ReadWriteLock：读写锁，读锁共享，写锁独占。ReentrantReadWriteLock 是常用实现。
StampedLock：支持乐观读锁的锁，可以提高读多写少场景下的性能。

三、死锁及其避免

死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放资源，导致程序无法继续执行。发生死锁的条件包括：

互斥条件：一个资源一次只能被一个线程占用。
占有且等待：一个线程在持有资源的同时，仍在请求其他资源。
不可剥夺：资源不能被强制释放，只能由持有它的线程释放。
环形等待：多个线程形成一个循环等待链。

3.1 死锁示例

以下代码展示了两个线程死锁的情况：

class DeadlockDemo {private final Object lock1 = new Object();private final Object lock2 = new Object();public void method1() {synchronized (lock1) {System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}synchronized (lock2) {System.out.println("Thread 1: Holding lock 2...");}}}public void method2() {synchronized (lock2) {System.out.println("Thread 2: Holding lock 2...");try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}synchronized (lock1) {System.out.println("Thread 2: Holding lock 1...");}}}
}

这里，method1 和 method2 分别尝试获取 lock1 和 lock2，导致两个线程相互等待对方释放锁，从而产生死锁。

3.2 避免死锁的方法

破坏环形等待条件：规定获取锁的顺序，避免多个线程在请求资源时形成环。
使用 tryLock：在等待一段时间后自动放弃，避免长时间等待锁，ReentrantLock 提供了 tryLock() 方法。
```
if (lock.tryLock(1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// 临界区代码} finally {lock.unlock();}
}
```
避免嵌套锁：尽量减少锁的嵌套，或者统一加锁顺序。
使用超时机制：设置线程获取资源的等待时间，超时后主动释放锁并重试，避免无限期等待。