Juc07_乐观锁和悲观锁、公平锁和非公平锁、递归锁(可重入锁)、死锁及排查、自旋锁

1、 乐观锁和悲观锁

  • ①. 悲观锁(synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁)
  1. 什么是悲观锁？认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改
  2. 适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确(写操作包括增删改)、显式的锁定之后再操作同步资源
  3. synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁
  • ②. 乐观锁
  1. 概念：乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新,当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新,则根据不同的实现方式执行不同的操作
  2. 乐观锁在Java中通过使用无锁编程来实现，最常采用的时CAS算法,Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的
  3. 适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅度提升
  4. 乐观锁一般有两种实现方式(采用版本号机制、CAS算法实现)
  5. 乐观锁常见问题：

①. 版本号机制

一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

举一个简单的例子：假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。

  1. 操作员 A 此时将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。
  2. 在操作员 A 操作的过程中，操作员 B 也读入此用户信息（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。
  3. 操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号（ version=1 ），连同帐户扣除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本等于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
  4. 操作员 B 完成了操作，也将版本号（ version=1 ）试图向数据库提交数据（ balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 1 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须等于当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。

这样就避免了操作员 B 用基于 version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作员 A 的操作结果的可能。

②.CAS 算法

CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。

CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

原子操作 即最小不可拆分的操作，也就是说操作一旦开始，就不能被打断，直到操作完成。

CAS 涉及到三个操作数：

  • V：要更新的变量值(Var)
  • E：预期值(Expected)
  • N：拟写入的新值(New)

当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等，说明已经有其它线程更新了 V，则当前线程放弃更新。

举一个简单的例子：线程 A 要修改变量 i 的值为 6，i 原值为 1（V = 1，E=1，N=6，假设不存在 ABA 问题）。

  1. i 与 1 进行比较，如果相等， 则说明没被其他线程修改，可以被设置为 6 。
  2. i 与 1 进行比较，如果不相等，则说明被其他线程修改，当前线程放弃更新，CAS 操作失败。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

Java 语言并没有直接实现 CAS，CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的（JNI 调用）。因此， CAS 的具体实现和操作系统以及 CPU 都有关系。

③. 乐观锁常见问题

ABA 问题：

        如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为 CAS 操作的 "ABA"问题。

        ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
循环时间长开销大：

        CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。

如果 JVM 能支持处理器提供的 pause 指令那么效率会有一定的提升，pause 指令有两个作用：

  1. 可以延迟流水线执行指令，使 CPU 不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。
  2. 可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲而引起 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率。
只能保证一个共享变量的原子操作

        CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5 开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

2、公平锁和非公平锁

  • ①. 什么是公平锁和非公平锁
  1. 公平锁：是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁类似排队打饭先来后到
  2. 非公平锁：是指在多线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取到锁,在高并发的情况下,有可能造成优先级反转或者饥饿现象
    注意：synchronized 和 ReentrantLock 默认是非公平锁
  • ②. 排队抢票案例(公平出现锁饥饿)
    锁饥饿:我们使用5个线程买100张票,使用ReentrantLock默认是非公平锁,获取到的结果可能都是A线程在出售这100张票,会导致B、C、D、E线程发生锁饥饿(使用公平锁会有什么问题)
class Ticket {
    private int number = 50;
    private Lock lock = new ReentrantLock(true); //默认用的是非公平锁，分配的平均一点，=--》公平一点
    public void sale() {
        lock.lock();
        try {
            if(number > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 卖出第: "+(number--)+"\t 还剩下: "+number);
            }
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    /*Object objectLock = new Object();
    public void sale(){
        synchronized (objectLock)
        {
            if(number > 0)
            {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 卖出第: "+(number--)+"\t 还剩下: "+number);
            }
        }
    }*/
}
public class SaleTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        new Thread(() -> { for (int i = 1; i <=55; i++) ticket.sale(); },"a").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 1; i <=55; i++) ticket.sale(); },"b").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 1; i <=55; i++) ticket.sale(); },"c").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 1; i <=55; i++) ticket.sale(); },"d").start();
        new Thread(() -> { for (int i = 1; i <=55; i++) ticket.sale(); },"e").start();
    }
}

3、 可重入锁(又名递归锁)

  • ①. 什么是可重入锁？
  1. 可重入锁又名递归锁,是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候,再进入该线程的内层方法会自动获取锁(前提,锁对象得是同一个对象),不会因为之前已经获取过还没有释放而阻塞
  2. 如果是1个有synchronized修饰得递归调用方法,程序第2次进入被自己阻塞了岂不是天大的笑话,出现了作茧自缚
  3. 所以Java中ReentrantLock和Synchronized都是可重入锁,可重入锁的一个优点是可在一定程度避免死锁
  • ​​​​​​​②. 可重入锁这四个字分开解释
    ​​​​​​​可: 可以 | 重: 再次 | 入: 进入 | 锁: 同步锁 | 进入什么:进入同步域(即同步代码块、方法或显示锁锁定的代码)

  • ③. 代码验证synchronized和ReentrantLock是可重入锁

//synchronized 是可重入锁
class Phone{
    public synchronized void sendSms() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\tsendSms");
        sendEmail();
    }
    public synchronized void sendEmail() throws Exception{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\tsendEmail");
    }

}
/**
 * Description:
 *  可重入锁(也叫做递归锁)
 *  指的是同一先生外层函数获得锁后,内层敌对函数任然能获取该锁的代码
 *  在同一线程外外层方法获取锁的时候,在进入内层方法会自动获取锁
 *  *  也就是说,线程可以进入任何一个它已经标记的锁所同步的代码块
 *  **/
public class ReenterLockDemo {
    /**
     * t1 sendSms
     * t1 sendEmail
     * t2 sendSms
     * t2 sendEmail
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        new Thread(()->{
            try {
                phone.sendSms();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"t1").start();
        new Thread(()->{
            try {
                phone.sendSms();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"t2").start();
    }
}

//ReentrantLock 是可重入锁
	class Phone implements Runnable {
	    private Lock lock = new ReentrantLock();
	
	    @Override
	    public void run() {
	        get();
	    }
	
	    private void get() {
	        lock.lock();
	        try {
	            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\tget");
	            set();
	        } finally {
	            lock.unlock();
	        }
	    }
	
	    private void set() {
	        lock.lock();
	        try {
	            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\tset");
	        } finally {
	            lock.unlock();
	        }
	    }
	}
	
	/**
	 * Description:
	 * 可重入锁(也叫做递归锁)
	 * 指的是同一先生外层函数获得锁后,内层敌对函数任然能获取该锁的代码
	 * 在同一线程外外层方法获取锁的时候,在进入内层方法会自动获取锁
	 * <p>
	 * 也就是说,线程可以进入任何一个它已经标记的锁所同步的代码块
	 **/
	public class ReenterLockDemo {
	    /**
	     * Thread-0 get
	     * Thread-0 set
	     * Thread-1 get
	     * Thread-1 set
	     */
	    public static void main(String[] args) {
	        Phone phone = new Phone();
	        Thread t3 = new Thread(phone);
	        Thread t4 = new Thread(phone);
	        t3.start();
	        t4.start();
	
	    }
	}
  • ④. 可重入锁的种类
  1. 隐式锁(即synchronized关键字使用的锁)默认是可重入锁,在同步块、同步方法使用
    (在一个synchronized修饰的方法或者代码块的内部调用本类的其他synchronized修饰的方法或代码块时，是永远可以得到锁的)
  2. 显示锁(即Lock)也有ReentrantLock这样的可重入锁
    ​​​​​​​(lock和unlock一定要一 一匹配，如果少了或多了,都会坑到别的线程)
  • ⑤. Synchronized的重入的实现机理(为什么任何一个对象都可以成为一个锁)​​​​​​​
  1. 每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针
  2. 当执行monitorenter时，如果目标锁对象的计数器为零,那么说明它没有被其他线程所持有,Java虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并且将计数器加1
  3. 在目标锁对象的计数器不为零的情况下，如果锁对象的持有线程时当前线程，那么Java虚拟机可以将其计数器加1,否则需要等待,直到持有线程释放该锁
  4. 当执行monitorexit,Java虚拟机则需将锁对象的计数器减1。计数器为零代表锁已经释放

4、死锁及排查

  • 代码展示
public class DeadLockDemo{

    static Object lockA = new Object();
    static Object lockB = new Object();
    public static void main(String[] args){
        Thread a = new Thread(() -> {
            synchronized (lockA) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + " 自己持有A锁，期待获得B锁");

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (lockB) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 获得B锁成功");
                }
            }
        }, "a");
        a.start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (lockB){
            
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+" 自己持有B锁，期待获得A锁");

                try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

                synchronized (lockA){
                
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 获得A锁成功");
                }
            }
        },"b").start();

    }
}
  •  排除死锁方式一：纯命令
D:\studySoft\Idea201903\JavaSelfStudy>jps
10048 Launcher
6276 DeadLockDemo
6332 Jps
9356
D:\studySoft\Idea201903\JavaSelfStudy>jstack 6276 (最后面有一个发现了一个死锁)
2021-07-28 16:05:36
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.111-b14 mixed mode):

"DestroyJavaVM" #16 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000003592800 nid=0x830 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"b" #15 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000253d5000 nid=0x1ba8 waiting for monitor entry [0x0000000025c8e000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo.lambda$main$1(DeadLockDemo.java:31)
        - waiting to lock <0x0000000741404050> (a java.lang.Object)
        - locked <0x0000000741404060> (a java.lang.Object)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo$$Lambda$2/2101440631.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"a" #14 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000253d3800 nid=0xad8 waiting for monitor entry [0x0000000025b8e000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo.lambda$main$0(DeadLockDemo.java:20)
        - waiting to lock <0x0000000741404060> (a java.lang.Object)
        - locked <0x0000000741404050> (a java.lang.Object)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo$$Lambda$1/1537358694.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"Service Thread" #13 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x000000002357b800 nid=0x1630 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C1 CompilerThread3" #12 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x00000000234f6000 nid=0x1fd4 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread2" #11 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x00000000234f3000 nid=0x5c0 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread1" #10 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x00000000234ed800 nid=0x1afc waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread0" #9 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x00000000234eb800 nid=0x2ae0 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"JDWP Command Reader" #8 daemon prio=10 os_prio=0 tid=0x0000000023464800 nid=0xc50 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"JDWP Event Helper Thread" #7 daemon prio=10 os_prio=0 tid=0x000000002345f800 nid=0x1b0c runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"JDWP Transport Listener: dt_socket" #6 daemon prio=10 os_prio=0 tid=0x0000000023451000 nid=0x2028 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Attach Listener" #5 daemon prio=5 os_prio=2 tid=0x000000002343f800 nid=0x1ea0 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Signal Dispatcher" #4 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x00000000233eb800 nid=0x10dc runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Finalizer" #3 daemon prio=8 os_prio=1 tid=0x00000000233d3000 nid=0xafc in Object.wait() [0x000000002472f000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0000000741008e98> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:143)
        - locked <0x0000000741008e98> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:164)
        at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:209)

"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=2 tid=0x0000000021d0d000 nid=0x28ec in Object.wait() [0x000000002462f000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0000000741006b40> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
        at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191)
        - locked <0x0000000741006b40> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)

JNI global references: 2504


Found one Java-level deadlock:
=============================
"b":
  waiting to lock monitor 0x0000000021d10b58 (object 0x0000000741404050, a java.lang.Object),
  which is held by "a"
"a":
  waiting to lock monitor 0x0000000021d13498 (object 0x0000000741404060, a java.lang.Object),
  which is held by "b"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"b":
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo.lambda$main$1(DeadLockDemo.java:31)
        - waiting to lock <0x0000000741404050> (a java.lang.Object)
        - locked <0x0000000741404060> (a java.lang.Object)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo$$Lambda$2/2101440631.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"a":
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo.lambda$main$0(DeadLockDemo.java:20)
        - waiting to lock <0x0000000741404060> (a java.lang.Object)
        - locked <0x0000000741404050> (a java.lang.Object)
        at com.xiaozhi.juc.DeadLockDemo$$Lambda$1/1537358694.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Found 1 deadlock.
  •  排除死锁方式二：jconsole（输入 cmd，输入 jsonsole，点击检测死锁按钮）

5、自旋锁

  • ①. 什么是自旋锁？
    (是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁,当线程发现锁被占用时，会不断循环判断锁的状态，直到获取。这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU)

  • ②. 如何手写一个自选锁

//自旋锁
public class AtomicReferenceThreadDemo {
    static AtomicReference<Thread>atomicReference=new AtomicReference<>();
    static Thread thread;
    public static void lock(){
        thread=Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"coming.....");
        while(!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){

        }
    }
    public static void unlock(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"over.....");
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            AtomicReferenceThreadDemo.lock();
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            AtomicReferenceThreadDemo.unlock();
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            AtomicReferenceThreadDemo.lock();
            AtomicReferenceThreadDemo.unlock();
        },"B").start();
    }
}

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