锁的 7 大分类

需要首先指出的是,这些多种多样的分类,是评价一个事物的多种标准,比如评价一个城市,标准有人口多少、经济发达与否、城市面积大小等。而一个城市可能同时占据多个标准,以北京而言,人口多,经济发达,同时城市面积还很大。
同理,对于 Java 中的锁而言,一把锁也有可能同时占有多个标准,符合多种分类,比如 ReentrantLock 既是可中断锁,又是可重入锁。
根据分类标准我们把锁分为以下 7 大类别,分别是:

  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁;
  • 可重入锁/非可重入锁;
  • 共享锁/独占锁;
  • 公平锁/非公平锁;
  • 悲观锁/乐观锁;
  • 自旋锁/非自旋锁;
  • 可中断锁/不可中断锁。

以上是常见的分类标准,下面我们来逐一介绍它们的含义。

1:偏向锁/轻量级锁/重量级锁

第一种分类是偏向锁/轻量级锁/重量级锁,这三种锁特指 synchronized 锁的状态,通过在对象头中的 mark word 来表明锁的状态。

偏向锁

如果自始至终,对于这把锁都不存在竞争,那么其实就没必要上锁,只需要打个标记就行了,这就是偏向锁的思想。一个对象被初始化后,还没有任何线程来获取它的锁时,那么它就是可偏向的,当有第一个线程来访问它并尝试获取锁的时候,它就将这个线程记录下来,以后如果尝试获取锁的线程正是偏向锁的拥有者,就可以直接获得锁,开销很小,性能最好。

轻量级锁

JVM 开发者发现在很多情况下,synchronized 中的代码是被多个线程交替执行的,而不是同时执行的,也就是说并不存在实际的竞争,或者是只有短时间的锁竞争,用 CAS 就可以解决,这种情况下,用完全互斥的重量级锁是没必要的。轻量级锁是指当锁原来是偏向锁的时候,被另一个线程访问,说明存在竞争,那么偏向锁就会升级为轻量级锁,线程会通过自旋的形式尝试获取锁,而不会陷入阻塞。

重量级锁

重量级锁是互斥锁,它是利用操作系统的同步机制实现的,所以开销相对比较大。当多个线程直接有实际竞争,且锁竞争时间长的时候,轻量级锁不能满足需求,锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请却拿不到锁的线程进入阻塞状态。

锁.png
你可以发现锁升级的路径:无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁。

综上所述,偏向锁性能最好,可以避免执行 CAS 操作。而轻量级锁利用自旋和 CAS 避免了重量级锁带来的线程阻塞和唤醒,性能中等。重量级锁则会把获取不到锁的线程阻塞,性能最差。

2:可重入锁/非可重入锁

第 2 个分类是可重入锁和非可重入锁。可重入锁指的是线程当前已经持有这把锁了,能在不释放这把锁的情况下,再次获取这把锁。同理,不可重入锁指的是虽然线程当前持有了这把锁,但是如果想再次获取这把锁,也必须要先释放锁后才能再次尝试获取。

对于可重入锁而言,最典型的就是 ReentrantLock 了,正如它的名字一样,reentrant 的意思就是可重入,它也是 Lock 接口最主要的一个实现类。

3:共享锁/独占锁

第 3 种分类标准是共享锁和独占锁。共享锁指的是我们同一把锁可以被多个线程同时获得,而独占锁指的就是,这把锁只能同时被一个线程获得。我们的读写锁,就最好地诠释了共享锁和独占锁的理念。读写锁中的读锁,是共享锁,而写锁是独占锁。读锁可以被同时读,可以同时被多个线程持有,而写锁最多只能同时被一个线程持有。

4:公平锁/非公平锁

第 4 种分类是公平锁和非公平锁。公平锁的公平的含义在于如果线程现在拿不到这把锁,那么线程就都会进入等待,开始排队,在等待队列里等待时间长的线程会优先拿到这把锁,有先来先得的意思。而非公平锁就不那么“完美”了,它会在一定情况下,忽略掉已经在排队的线程,发生插队现象。

5:悲观锁/乐观锁

第 5 种分类是悲观锁,以及与它对应的乐观锁。悲观锁的概念是在获取资源之前,必须先拿到锁,以便达到“独占”的状态,当前线程在操作资源的时候,其他线程由于不能拿到锁,所以其他线程不能来影响我。而乐观锁恰恰相反,它并不要求在获取资源前拿到锁,也不会锁住资源;相反,乐观锁利用 CAS 理念,在不独占资源的情况下,完成了对资源的修改。

6:自旋锁/非自旋锁

第 6 种分类是自旋锁与非自旋锁。自旋锁的理念是如果线程现在拿不到锁,并不直接陷入阻塞或者释放 CPU 资源,而是开始利用循环,不停地尝试获取锁,这个循环过程被形象地比喻为“自旋”,就像是线程在“自我旋转”。相反,非自旋锁的理念就是没有自旋的过程,如果拿不到锁就直接放弃,或者进行其他的处理逻辑,例如去排队、陷入阻塞等。

7:可中断锁/不可中断锁

第 7 种分类是可中断锁和不可中断锁。在 Java 中,synchronized 关键字修饰的锁代表的是不可中断锁,一旦线程申请了锁,就没有回头路了,只能等到拿到锁以后才能进行其他的逻辑处理。而我们的 ReentrantLock 是一种典型的可中断锁,例如使用 lockInterruptibly 方法在获取锁的过程中,突然不想获取了,那么也可以在中断之后去做其他的事情,不需要一直傻等到获取到锁才离开。

Q.E.D.

知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议