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前言

在并發編程中常用到 synchronized 以及 ReentrantLock 鎖，在業務開發過程中也可能會用到分布式鎖，分布式鎖常用框架的就是基于 Redis 實現的分布式鎖框架 Redisson 和 基于 Zookeeper 實現的分布式鎖框架 Curator。當然，也有其他的鎖實現方式，在這里不做介紹。

本文主要是在學習 Java 鎖以及分布式鎖的源碼后，做出的歸納總結。

1鎖的最基本要素

為什么要使用鎖?

關于為什么要使用鎖這個問題，答案顯而易見：“為了避免多線程并發沖突”。

在多線程中對公共數據的修改，必須要保證只有線程在進行操作。這里的公共數據可以是公共變量，也可以是數據庫中的一行數據。

鎖的基本要素

知道為什么要加鎖之后，就可以得出加鎖的基本要素：

• 鎖標志：怎么樣才算加鎖成功?
• 鎖持有者：是哪個線程加的鎖?
• 鎖重入：自己加了鎖之后，再次加鎖?
• 鎖并發：并發加鎖失敗的線程該怎么辦?
• 鎖釋放：用完鎖，該怎么釋放?

簡單來說應該就是這些要素，遺漏之處，歡迎補充。

2加鎖標志

加鎖標志，就是需要一個標志來表示是否加鎖成功，并且這個加鎖標志要保證原子性。

• synchronized 底層是 C++ 實現的，在 ObjectMonitor 對象中有一個 _count 參數用來標識是否持有鎖。
• ReentrantLock 基于 AQS 實現，其中 state 表示線程是否持有鎖。ReentrantReadWriteLock 同樣基于 AQS 實現，其中 state 高 16 位表示讀鎖，低 16 位表示寫鎖。
• Redisson 是基于 Redis 的 Hash 數據結構實現的，其中加鎖 key 是否存在，可以表示是否加鎖。
• Curator 基于 ZooKeeper 臨時順序節點實現，判斷加鎖路徑下是否存在該節點，來表示是否加鎖。

3鎖持有者

• 鎖持有者，肯定是當前線程，但是在分布式鎖中還需要加上機器，用來防止服務之間的線程沖突。
• synchronized 在 ObjectMonitor 對象中 _owner 是指獲得鎖的線程。
• ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 是在 AQS 的 Node 節點中有 Thread 對象，用來表示獲得鎖的線程。
• Redisson 在 Hash 數據結構的 field 字段存放的是 UUID:ThreadId，從而保證在多個服務實例時防止并發沖突。
• Curator 創建的臨時順序節點包含 UUID，表示加鎖機器，結構比如 /locks/lock_01/_c_UUID-lock-0000000000。

4鎖重入

當獲得鎖的線程再次嘗試獲取鎖的時候，保證需要計數。

• synchronized 會對 _count 進行累加，CAS 更新。
• ReentrantLock 會對 AQS 的 state 進行累加，CAS 更新。
• Redisson 使用 Lua 腳本，對 Hash 結構的 value 進行累加。
• Curator 是在 Java 代碼中維護了一個 AtomicInteger 類型的 lockCount 字段，用來表示重入。

5鎖等待

• synchronized 并發加鎖失敗線程會自旋等待，涉及到偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的鎖升級流程。

1. 剛開始是無鎖的
2. 偏向鎖：一段同步代碼一直被一個線程訪問，這個線程自動獲取鎖，大多數都是由同一個線程獲取鎖，這就會出現偏向鎖。目的是只有一個線程執行同步代碼塊時提高性能，JDK 6 后在 JVM 中默認開啟。對象頭標志位(01-無鎖) 是否偏向鎖標志(1-是偏向鎖)
3. 輕量級鎖：鎖是偏向鎖時，被其他線程訪問，偏向鎖就升級為輕量級鎖，其他線程通過自旋形式嘗試獲取鎖 對象頭標志位 00
4. 重量級鎖：只有一個線程等待，該線程是在自旋等待獲取鎖。當自旋一定次數或者一個持有鎖一個自旋時來了第三個線程，就會升級為重量級鎖。對象頭標志位 10

• ReentrantLock 會放到 AQS 雙向同步隊列中，監聽上一個節點是否為虛擬頭結點，是則嘗試獲取鎖。
  • 非公平鎖新線程會默認參加搶鎖，公平鎖會先查看隊列是否為空。
  • 自旋等待時會使用 LockSupport.park() 方法，這時候會讓出 CPU 資源，其他線程會調用 LockSupport.unpark()。
  • 可以使用 tryLock 方法設置時間，在指定時間內獲取鎖失敗或者被中斷，則會返回加鎖失敗。
• Redisson 并發加鎖，失敗線程會獲取到當前鎖的超時時間，然后通過 Semaphore tryAcquire 方法阻塞一定時間后，再次嘗試獲取鎖。
  • 公平鎖會額外使用 Redis 的 List 數據結構來當做線程等待隊列，使用 sorted set 有序集合數據結構來存放等待線程的順序(score 是超時時間戳)。
• Curator 并發加鎖會直接創建臨時順序節點，然后監聽順序節點中自己的上一個節點(防止羊群效應)，默認是公平鎖。

6鎖釋放

• synchronized 不需要手動釋放。
• ReentrantLock 對 state 遞減為 0 后，喚醒后續節點，有后續節點需要調用 LockSupport.unpark(s.thread)。
• Redisson 主動釋放直接刪除 key 即可。超時釋放即服務宕機，沒有看門狗續租了，指定時間后，Redis Key 就會被自動釋放。
• Curator 主動釋放會刪除節點，如果服務宕機了，節點會被自動刪除。

7總結

本文從多個角度總結分析了鎖和分布式鎖的基本要素，同樣基于 MySQL 等數據庫的鎖可以參考實現。

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