多线程安全问题之锁策略，程序员一定要掌握的东西

2022-10-11 10:55:45

多线程安全问题之锁策略，程序员一定要掌握的东西

文章目录

前言

本节目标

围绕锁策略解决线程安全

一、常见的锁策略

1.1 乐观锁

乐观锁：乐观锁假设认为数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正 式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如 何去做。乐观锁的性能比较高。
悲观锁：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会 上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。
悲观锁的问题：总是需要竞争锁，进而导致发生线程切换，挂起其他线程；所以性能不高。 乐观锁的问题：并不总是能处理所有问题，所以会引入一定的系统复杂度。
乐观锁的使用场景：

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;publicclass happylock{privatestaticAtomicInteger count=newAtomicInteger(0);privatestaticfinalint MAXSIZE=100000;publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException{Thread t1=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){for(int i=0;i<MAXSIZE;i++){
                    count.getAndIncrement();}}});
        t1.start();
        t1.join();Thread t2=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){for(int j=0;j<MAXSIZE;j++){
                    count.getAndDecrement();}}});
        t2.start();
        t2.join();System.out.println("结果"+count);}//结果是0，如果不加AtomicInteger，那么线程执行完以后不会是0，存在线程不安全！}

1.2 悲观锁

悲观锁：他认为通常情况下会出现并发冲突，所以它在一开始就加锁；
synchronized 就是悲观锁

1.3 读写锁

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需  要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，
就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。

读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。
把锁分成两个锁，一个是读锁，一个是写锁，其中读锁可以多个线程拥有，而写锁是一个线程拥有。读锁是共享锁，而写锁是非公享锁。
读写锁的应用方法：

importjava.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantLock;importjava.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;publicclassReaderlock{//读写锁的具体实现publicstaticvoidmain(String[] args){//创建读写锁ReentrantReadWriteLock  reentrantReadWriteLock=newReentrantReadWriteLock();//分离读锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock=ReadWriteLock.ReadLock();//分离写锁ReentrantReadWriteLock.WriteLock readLock=ReadWriteLock.WriteLock();}}

1.4 公平锁与非公平锁

公平锁：锁的获取顺序必须合线程方法的先后顺序是保存一致的，就叫公平锁 优点：执行时顺序的，所以结果是可以预期的
非公平锁：锁的获取方式循序和线程获取锁的顺序无关。优点：性能比较高

1.5 自旋锁（Spin Lock）

按之间的方式处理下，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但经过测算，实际的生活中，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。基于这个 事实，自旋锁诞生了。
你可以简单的认为自旋锁就是下面的代码

只要没抢到锁，就死等。

自旋锁的缺点：
缺点其实非常明显，就是如果之前的假设（锁很快会被释放）没有满足，则线程其实是光在消耗 CPU 资源，长期在做无用功的。

1.6 可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。比如一个递归函数 里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因 可重入锁也叫做递归锁）。
Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括
synchronized关键字锁都是可重入的。

1.5 相关题目

面试题:

1.你是怎么理解乐观锁和悲观锁的，具体怎么实现呢？

乐观锁——> CAS ——> Atomic.（CAS是由v(内存值) A（预期值）B（新值））组成，然后执行的时候是使用V=A对比，如果结果为true，这表明没有并发冲突，则可以直接进行修改，否则返回错误信息。*

2.有了解什么读写锁么？

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需 要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。
把锁分成两个锁，一个是读锁，一个是写锁，其中读锁可以多个线程拥有，而写锁是一个线程拥有

3.什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略呢，缺点是什么？

按之间的方式处理下，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但经过测算，实际的生活中，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。基于这个 事实，自旋锁诞生了。
你可以简单的认为自旋锁就是下面的代码
只要没抢到锁，就死等。
自旋锁的缺点：
缺点其实非常明显，就是如果之前的假设（锁很快会被释放）没有满足，则线程其实是光在消耗 CPU 资源，长期在做无用功的。

4.synchronized 是可重入锁么？
synchronized 是可重入锁，
代码如下：

publicclassChonglock{privatestaticObject lock=newObject();publicstaticvoidmain(String[] args){//第一次进入锁synchronized(lock){System.out.println("第一次进入锁");synchronized(lock){System.out.println("第二次进入锁");}}}}

二、CAS问题

2.1 什么是CAS问题

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。 1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较） 2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换） 3. 返回操作是否成功。
当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。可见 CAS 其实是一个乐观锁。

2.2 CAS 是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：
java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
unsafe 的 CAS 依 赖 了 的 是 jvm 针 对 不 同 的 操 作 系 统 实 现 的 Atomic::cmpxchg（一个原子性的指令）

/Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。
简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。
在这里插入图片描述

2.3 CAS 有哪些应用

2.3.1 实现自旋锁

publicclassSpinLock{privateAtomicReference<Thread> sign=newAtomicReference<>();publicvoidlock(){Thread current=Thread.currentThread();// 不放弃 CPU，一直在这里旋转判断while(!sign.compareAndSet(null, current)){}}publicvoid unlock(){Thread current=Thread.currentThread(); sign.compareAndSet(current,null);}}

用于实现原子类

示例代码：

publicclassAtomicInteger{publicfinalintincrementAndGet(){return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset,1)+1;}}publicclassUnsafe{publicfinalintgetAndAddInt(Object var1,long var2,int var4){int var5;do{
var5=this.getIntVolatile(var1, var2);}while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5+ var4));return var5;}}

三. ABA问题

3.1 什么是ABA问题

 ABA 的问题，就是一个值从A变成了B又变成了A，而这个期间我们不清楚这个过程。

3.2 实现ABA问题场景

我来举一个例子，如果你向别人转钱，你需要转100元，但是你点击了两次转钱，第一次会成功，但是第二次肯定会失败，但是，在你点击第二次转钱的同一时刻，你的公司给你转了100元工资，那么你就会莫名其妙的把100又转了出去，你丢失了100，别人也没有获得100.
代码演示：
1.正常转钱流程

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;publicclassAba{//ABA问题的演示privatestaticAtomicReference money=newAtomicReference(100);//转账publicstaticvoidmain(String[] args){//转账线程1Thread t1=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0);System.out.println("点击第一次转出100"+result);}});
        t1.start();//转账线程2Thread t2=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0);System.out.println("点击第二次转出100"+result);if(!result){System.out.println("余额不足，无法转账！");}}});
        t2.start();}}

在这里插入图片描述
2.错误操作后：

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;publicclassABas{privatestaticAtomicReference money=newAtomicReference(100);//转账publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException{//转账出线程1Thread t1=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0);System.out.println("第一次"+result);}});
        t1.start();
        t1.join();//转入100Thread t3=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(0,100);System.out.println("转账"+result);}});
        t3.start();//转账线程2
        t3.join();Thread t2=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0);System.out.println("第二次"+result);}});
        t2.start();}}

在这里插入图片描述

解决ABA方法

解决方法：加入版本信息，例如携带 AtomicStampedReference 之类的时间戳作为版本信息，保证不会
出现老的值。

代码实现：

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;importjava.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;publicclassAbaack{//private  static AtomicReference money = new AtomicReference(100);//转账privatestaticAtomicStampedReference money=newAtomicStampedReference(100,1);//publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException{//转账出线程1Thread t1=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0,1,2);System.out.println("第一次转账100："+result);}});
        t1.start();
        t1.join();//转入100Thread t3=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(0,100,2,3);System.out.println("其他人给你转账了100："+result);}});
        t3.start();//转账线程2
        t3.join();Thread t2=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){boolean result=  money.compareAndSet(100,0,1,2);System.out.println("第二次点击转账100："+result);}});
        t2.start();//Integer的高速缓存是-128--127（AtomicStampedReference）//如果大于127，那么就开始new对象了/*
        * 解决方法，调整边界值*/}}

在这里插入图片描述

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了锁策略，解决线程安全。

  • 作者：沉默着忍受
  • 原文链接：https://blog.csdn.net/ILOVEMYDEAR/article/details/117335529
    更新时间：2022-10-11 10:55:45