Java进阶（锁）——锁的升级，synchronized与lock锁区别

引出

Java中锁升级

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看一段代码：

public class App {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Calculate cal = new Calculate();long start = System.currentTimeMillis();Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {cal.increase();}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {cal.increase();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("time = " + (System.currentTimeMillis()-start));System.out.println("cal.getNum() = " + cal.getNum());}
}
public class Calculate {private int num;public int getNum() {return num;}// 多线程执行：public void increase() 会有线程安全问题// synchronized 锁解决，锁的是什么？public void increase(){synchronized (this) {num++;}}
}

分析：

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对象组成：

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Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。Mark Word对应的类型是markOop。源码位于markOop.hpp中。在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

对象头在64位虚拟机 8个字节

在这里插入图片描述

package cn.wn.juc;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class App {// 锁升级演示public static void main(String[] args) throws InterruptedException {User user01 = new User();System.out.println("无状态（001）：" + ClassLayout.parseInstance(user01).toPrintable());// 从jdk6开始，jvm默认延迟4s自动开启开启偏向锁。通过-XX:BiasedLockingStartupDelay=0设置取消延迟// 如果不要偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=falseTimeUnit.SECONDS.sleep(5);User user02 = new User();System.out.println("启用偏向锁（101）：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());for (int i = 0; i < 2; i++) {synchronized (user02) {System.out.println("偏向锁（101）带线程ID：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());}// 偏向锁释放，对象头不会变化，一直存在， （偏向线程id） 下次执行判断是否同一个线程如果是直接执行System.out.println("偏向锁（101）释放线程ID：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());}// 多个线程加锁，升级为轻量级锁new Thread(() -> {synchronized (user02) {System.out.println("轻量级锁（00）：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());try {System.out.println("=====休眠3秒======");TimeUnit.SECONDS.sleep(3);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("轻量-->重量（10）：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);new Thread(() -> {synchronized (user02) {System.out.println("重量级锁（10）：" + ClassLayout.parseInstance(user02).toPrintable());}}).start();}
}

<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.10</version>
</dependency>

锁的状态总共有四种，级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，这四种锁状态分别代表什么，为什么会有锁升级？其实在 JDK 1.6之前，synchronized 还是一个重量级锁，是一个效率比较低下的锁，但是在JDK 1.6后，Jvm为了提高锁的获取与释放效率对（synchronized ）进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，从此以后锁的状态就有了四种（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁），并且四种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级，也就是说只能进行锁升级（从低级别到高级别），不能锁降级（高级别到低级别），意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

无锁

无锁是指没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点是修改操作会在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

偏向锁

初次执行到synchronized代码块的时候，锁对象变成偏向锁（通过CAS修改对象头里的锁标志位），字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。当第二次到达同步代码块时，线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己（持有锁的线程ID也在对象头里），如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁，这里也就不需要重新加锁。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时，即不存在多个线程的竞争时，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗，即提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在 Mark Word 里存储锁偏向的线程 ID。在线程进入和退出同步块时不再通过 CAS 操作来加锁和解锁，而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。

轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，却被另外的线程所访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋（关于自旋的介绍见文末）的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。

一旦有第二个线程加入锁竞争，偏向锁就升级为轻量级锁（自旋锁）。这里要明确一下什么是锁竞争：如果多个线程轮流获取一个锁，但是每次获取锁的时候都很顺利，没有发生阻塞，那么就不存在锁竞争。只有当某线程尝试获取锁的时候，发现该锁已经被占用，只能等待其释放，这才发生了锁竞争。

在轻量级锁状态下继续锁竞争，没有抢到锁的线程将自旋，即不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作，其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。先比较当前锁标志位是否为“释放”，如果是则将其设置为“锁定”，比较并设置是原子性发生的。这就算抢到锁了，然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。

长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程持有锁，其他线程就只能在原地空耗CPU，执行不了任何有效的任务，这种现象叫做忙等（busy-waiting）。如果多个线程用一个锁，但是没有发生锁竞争，或者发生了很轻微的锁竞争，那么synchronized就用轻量级锁，允许短时间的忙等现象。这是一种折衷的想法，短时间的忙等，换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

重量级锁

重量级锁显然，此忙等是有限度的（有个计数器记录自旋次数，默认允许循环10次，可以通过虚拟机参数更改）。如果锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数的线程，会将轻量级锁升级为重量级锁（依然是CAS修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID）。当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资

synchronized与lock锁区别

总结如下：

1️⃣ lock 是一个接口，而 synchronized 是 Java 的一个关键字，synchronized 是内置的语言实现。
2️⃣ 异常是否释放锁：synchronized 在发生异常时候会自动释放占有的锁，因此不会出现死锁；而 lock 发生异常时候，不会主动释放占有的锁，必须手动 unlock 来释放锁，可能引起死锁的发生。(所以最好将同步代码块用 try catch 包起来，finally 中写入 unlock，避免死锁的发生。)
3️⃣ 是否响应中断
lock 等待锁过程中可以用 interrupt 来中断等待，而 synchronized 只能等待锁的释放，不能响应中断。
4️⃣ 是否知道获取锁：Lock 可以通过 trylock 来知道有没有获取锁，而 synchronized 不能。
5️⃣ Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率。(可以通过 ReadWriteLock 实现读写分离)
6️⃣ 在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争)，此时 Lock 的性能要远远优于 synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。
7️⃣ synchronized 使用 Object 对象本身的 wait 、notify、notifyAll 调度机制，而 Lock 可以使用 Condition 进行线程之间的调度。

性能区别

synchronized 和 lock 性能区别
synchronized 是托管给 JVM 执行的，而 lock 是 Java 写的控制锁的代码。在 Java1.5 中，synchronized 是性能低效的。因为这是一个重量级操作，但是到了 Java1.6，发生了变化,进行了很多优化，有适应自旋，轻量级锁，偏向锁等等。
synchronized 原始采用的是 CPU悲观锁机制，即线程获得的是排他锁。排他锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。
而 Lock 用的是乐观锁机制。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁实现的机制就是 CAS 操作(Compare and Swap)。进一步研究 ReentrantLock 的源码，会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是 compareAndSetState。这里其实就是调用的 CPU 提供的特殊指令。

用途区别

synchronized 和 lock 用途区别
synchronized 原语和 ReentrantLock 在一般情况下没有什么区别，但是在非常复杂的同步应用中，请考虑使用 ReentrantLock ，特别是遇到下面两种需求的时候。
1️⃣ 某个线程在等待一个锁的控制权的这段时间需要中断。
2️⃣ 分开处理一些 wait-notify，ReentrantLock 里面的 Condition 应用，能够控制 notify 哪个线程。
3️⃣ 公平锁功能，每个到来的线程都将排队等候。

先说第一种情况，ReentrantLock 的 lock 机制有 2 种，忽略中断锁和响应中断锁，这带来了很大的灵活性。比如：如果 A、B 两个线程去竞争锁，A 线程得到了锁，B 线程等待，但是 A 线程这个时候实在有太多事情要处理，就是一直不返回，B 线程可能就会等不及了，想中断自己，不再等待这个锁了，转而处理其他事情。

这个时候 ReentrantLock 就提供了两种机制：可中断/可不中断：
①B 线程中断自己(或者别的线程中断它)，但是 ReentrantLock 不去响应，继续让 B 线程等待，你再怎么中断，我全当耳边风(synchronized 原语就是如此)；
②B 线程中断自己(或者别的线程中断它)，ReentrantLock 处理了这个中断，并且不再等待这个锁的到来，完全放弃。

缓存三兄弟：缓存击穿、穿透、雪崩

缓存击穿

缓存击穿：redis中没有，但是数据库有

顺序：先查缓存，判断缓存是否存在；如果缓存存在，直接返回数据；如果缓存不存在，則查询数据库，将数据库的数据存入到缓存

在这里插入图片描述

解决方案：将热点数据设置过期时间长一点；针对数据库的热点访问方法上分布式锁；

缓存穿透

缓存穿透：redis中没有，数据库也没有

在这里插入图片描述

解决方案：

（1）将不存在的key，在redis设置值为null；

（2）使用布隆过滤器;

原理：https://zhuanlan.zhihu.com/p/616911933

在这里插入图片描述

布隆过滤器：

如果确认key不存在于redis中，那么就一定不存在；

它说key存在，就有可能存在，也可能不存在！（误差）

在这里插入图片描述

布隆过滤器

1、根据配置类中的 key的数量，误差率，计算位图数组【二维数组】

2、通过布隆过滤器存放key的时候，会计算出需要多少个hash函数，由hash函数算出多少个位图位置需要设定为1

3、查询时，根据对应的hash函数，判断对应的位置值是否都为1；如果有位置为0，则表示key一定不存在于该redis服务器中；如果全部位置都为1，则表示key可能存在于redis服务器中；