你管这破玩意叫锁

《重学 Java 高并发》专栏特色：结合 10 余年的工作经验，在实践中提炼总结高并发经验，将理论落到实处，不仅助力面试，更是真正提高技能。

温馨提示：本文为该系列的第一篇。

正确理解锁是深入理解 Java 并发的重中之重。

接下来和笔者一步一步进入"Java 的锁世界"中来吧，本文将循序渐进的介绍锁的相关知识，从简单到难，从概念到实践思路。

1、锁的种类

首先以一个非常常见的生活场景举例，例如一个三口之家居住在一个二房一厅的房子里，只有一个卫生间，早上一起床，大家是不是都有抢卫生间，这里就会发生一个有意思的事情了，一人在如厕，其他人排队等待的场景。

这个场景下有如下几个关键的特征：

• 独占“厕所“作为一个资源，在任意时刻只能被一个人占用，为了实现该效果，使用资源之前，需要先获得与该资源关联的锁

• 当多个线程都需要访问该资源时，必须先获得锁，而且在同一时刻有且只会有一个线程获得锁，那没有获得锁的线程就需要排队等待。是一直等，还是等得不耐烦时就放弃？

• 当有多人排队时，一个线程将锁释放后，交给谁？什么样的策略？

上面是最常见的锁应用场景，有一个非常响亮的名称：互斥锁、排它锁。

1.1 互斥锁

在 java 领域中，实现互斥锁通常有两种方式：

• synchronized

• ReentrantLock

接下来对比两者的不同点，从而来了解互斥锁的基本语义。

• 可重入性所谓的可重入性一个线程获取锁后，没有释放之前，继续申请，其伪代码如下所示：

• synchronized 与 ReentrantLock 都支持可重入性。

• 锁只能被锁的拥有者释放大家如何基于 redis 实现分布式锁时，要特别注意这个特质。

• 申请锁时是否支持超时取消申请锁的时候，ReentrantLock 能支持设定超时时间，即调用申请锁时如果在指定时间内未获取锁，支持自动停止阻塞跳出，而 synchronized 不支持。

• 申请锁时是否支持被中断 ReentrantLock 可以通过调用 lockInterruptibly 方法，可以支持线程中断，即停止继续申请锁，同样 synchronized 不支持。

• 是否支持公平锁/非公平锁所谓的公平锁，是指当拥有锁的线程释放锁后，锁的下一个获取者就是锁等待队列中的第一个元素，而非公平锁并没有这个限制，ReentrantLock 支持，而 synchronized 不支持。

1.2 共享锁

与互斥锁相对应的是共享锁，所谓的共享锁是同一时间可以被多个线程共同申请，一个非常经典的使用场景就是读写锁。

例如在一个缓存场景，在一个商品系统中，为了提供对商品的访问性能，通常会引入一个缓存区(Map)来缓存商品的数据，缓存数据对查询请求(读请求)是可以并行执行的，即多个线程同时查询缓存区的数据，这个是一个非常安全的操作，但不允许多个线程对缓存区进行修改。这里共享锁的意义就发挥出来了。

既然多个线程对缓存区可以同时进行读操作，那为什么还要加共享锁呢？主要的目的是避免写操作与读操作同时进行。

只要当前有读操作在进行，写操作就需要排队，请看如下示例图：

如上图所示：例如 线程 T1,T2,T3 连续申请共享锁，然后 T4 申请写锁，再 T5 申请读锁，那各个线程的并发执行情况如下所示：

• 线程 T1、T2、T3 将并发执行

• T4 由于是申请的写锁，必须等 T1、T2、T3 释放锁后，才能执行。

• T5 虽然申请是共享锁，但由于 T4 持有写锁，故 T5 也需要阻塞，直至 T4 释放锁。

在 Java 等世界中按锁的排斥性来分基本就包含排它锁与共享锁，其他读写锁、间隙锁等是以锁的粒度这个纬度进行细分。

2、锁的实现原理

在了解了锁的基本语意义之后，我们有必要来阐述一下锁的实现原理。

从某种意义上来说，锁的实现原理就是两个队列：同步阻塞队列、条件等待队列。

2.1 阻塞队列

阻塞队列的作用说明如下图所示：

上面使用来 synchronized，其传入的是一个锁对象，如果此时有 5 个线程同时去执行这段代码，由于锁的互斥性，同一时间只有一个线程能获得锁，其他线程需要排队等待，故需要引入一个队列来存储在这些排队的线程，所以 synchronized 的实现机制中，会在锁对象中开辟一个队列，用来存储等待获取当前锁的线程。

2.2 条件等待队列

Object 对象中有一对特殊的方法：wait()/notify()/notifyAll()，大家在前文中应该看到消费者/生产者中示例中，使用过 wait,notify 方法，示例代码如下：

wait 方法必须在 synchronized 中调用，并且通常是线程调用锁对象的 wait 方法，表示当前继续往下执行的条件不足，当前线程需要等待，故需要为锁对象再维护一个个队列，用来存储等待的线程，俗称条件等待队列。

当其他线程调用锁对象的 notify 方法或 notifyAll 方法，会唤醒等待队列中的线程。

温馨提示：上述还有几个关键点：

• Object.wait 方法，会使当前线程进入等待状态，并且释放锁。

• 通常条件等待会使用 while 语句，避免条件不满足时被误唤醒，故使用 while 对条件进行再一次的判断。

• 当被唤醒后，并不立即去执行 while 条件判断，而是需要重新去申请锁，即可能会进入到阻塞队列。

3、锁的优化思路

我相信作为一个程序员，大家都对锁很敏感，因为性能低下，但锁肯定有其存在的原因，主要解决数据访问的安全性，大家可能会感到惊讶，作为一款高性能的消息中间件(RocketMQ)，在消息写入时也使用了锁，其代码如下：

这是因为 RocketMQ 是顺序写文件，多个请求同时申请写一个文件，必须排队执行，否则会带来逻辑异常，此时锁是不用不行了。

对锁的优化策略，通常基于如下原则：能不用锁就不使用锁，必须使用锁则尽量保证被锁包裹代码的快速执行、降低锁的粒度。

3.1 优化锁执行时间

当然能不用锁就不用锁，但有些场景是必须使用锁来保证多线程环境下结果的正确性，就以 RocketMQ 顺序写 commitlog 文件为例，对同一个文件写入，需要记录当前的写入位置，然后另外一个线程就进行追加，故这个为写入位置是多线程不安全的，故必须引入锁，那 RocketMQ 作为一款高性能的消息中间件，是如何做到消息发送的高并发，低延迟能力低呢？

核心法宝：控制锁的范围，确保被锁包含的代码执行性能高效，接下来我们看一下 RocketMQ 消息写入的几个重要步骤：

并不是需要将上述三个步骤都加锁，而是只对写内存这段加锁即可，这段代码非常高效。

3.2 优化锁的粒度

锁的性能优化是一个永恒的主旨，另外一个核心思路是：降低锁的粒度，提高并发度。

接下来我们以 JDK 中的 HashTable 与 ConcurrentHashMap 的实现原理为例，让大家体会一下如何降低锁的粒度从而提高并发度。

Hashtable 的性能低下是众所周知，因为整个容器就一把锁，因为它的 get、put 都是被 synchronized 修饰，synchronized 用来修饰非 static 方法，其锁对象为 Hashtable 是对象锁。

并发度：同一时间只有一个线程能向该容器添加数据、获取数据。

而 jkd1.7 及其版本，ConcurrentHashMap 的内部数据结构如下图所示：

可以看出 ConcurrentHashMap 的设计思路是将整个 HashMap 分割成多个小的 HashMap，然后为每一个 HashMap 加锁，从而降低锁的粒度，从而提高并发度。

在 JDK1.8 及版本后，ConcurrentHashMap 的存储结构又发了很大改变，摒弃分段思想，使用来数组 + Node ，进一步释放读写的并发度，其数据结构如下图所示：

其中，对每一个链表的 Node 节点，写操作时会加锁，但在查询时候，并不会对各个 Node 加锁，提高读操作的并发度；并且会基于 CAS 机制实现无锁化处理，使用 volatile 保证可见性。

本文并不准备去剖析 ConcurrentHashMap 的实现细节，后续专门从源码实现的角度深度剖析，敬请期待，也请持续关注我。

3.3 无锁化设计

锁的存在必然有其使用场景，特别是需要被锁保护的资源众多，即临界区中的逻辑复杂，对其进行拆分会使代码变的臃肿，直接使用锁保护会清晰明了，但评估是否需要引入锁时需要慎重，特别是一些对吞吐量有极高要求的场景，能不用锁就不要用锁.

无锁化设计的基础：CAS，比较和交换。

在 Java 领域也提供了对应的原子操作工具：CAS，CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。CAS 是 CPU 指令级命令。

CAS 简单使用示例如下：

正如笔者在优化信号量释放逻辑时引入了 cas 确保一个 SempahoreReleaseOnlyOne 只会释放一次信号量。

在 JUC 框架中的 ArrayBlockingQueue,LinkedBlockingQueue 等队列都支持多个线程同时往队列中写入数据，但其内部都引入了锁。

多个线程往队列中写入数据，一定要加锁？怎么进行无锁化设计呢？

Disruptor 框架，实现多线程环境中真正的无锁化设计，极大的提升并发性能。提供了多个线程可以同时并发安全的往同一队列写入数据，而不加锁，是不是很神奇？

由于篇幅的原因，本文并不会为大家揭晓 Disruptor 是如何实现多个线程在不引入锁的情况下对队列进行并发操作的，兴趣是最好的老师，如果大家有兴趣可以先提前研究，后续将在《重学 Java 高并发》系列中后续文章中专门详细剖析。

文章首发于公众号「中间件兴趣圈」https://mp.weixin.qq.com/s/PL-oTc5J_pe5Oyb8mdltjQ

作者简介：丁威，《RocketMQ 技术内幕》一书作者、RocketMQ 开源社区优秀布道师，公众号「中间件兴趣圈」维护者，主打成体系剖析 Java 主流中间件，已发布 Kafka、RocketMQ、Dubbo、Sentinel、Canal、ElasticJob 等中间件 15 个专栏。