Java 中的同步 & 互斥

这篇小记偏向于理论，即 Java 底层是怎么实现互斥同步

锁是信号量的一个子集，目的就是通过 PV 操作控制信号量从而保护临界区中的临界资源

信号量是锁的超集，而PV操作是操作信号量的原语。锁（互斥锁）是信号量的一种特殊用法（初始值为1的信号量）。它们共同的目标是为了保护临界区，从而实现安全地访问临界资源。PV 操作的作用就是为了完成同步和互斥这两个功能

PV 操作是 OS 自带的原语操作，内核才有防止中断的权限，并发和并行是产生数据不同步的根本原因，PV 操控通过控制信号量来互斥地访问临界区中的临界资源，而锁是信号量的一个子集

题记

进程之间为什么要实现互斥：不同进程之间可能会共享某项资源。

进程之间为什么要实现同步：不同进程之间的操作可能会存在先后关系

临界资源 && 临界区

临界资源被存放在临界区中，OS 可以通过访问临界区去访问对应的临界资源

1. 临界资源

临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。

属于临界资源的硬件有，打印机，磁带机等；软件有消息队列，变量，数组，缓冲区等。诸进程间采取互斥方式，实现对这种资源的共享。

2. 临界区：

每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（criticalsection），每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥的对它进行访问。

多个进程涉及到同一个临界资源的的临界区称为相关临界区。

使用临界区时，一般不允许其运行时间过长，只要运行在临界区的进程还没有离开，其他所有进入此临界区的进程都会被挂起而进入阻塞状态，并在一定程度上影响程序的运行性能。

临界资源一般被放置在内存中，在一台计算机中的处理机读取的是同一个内存。

同步机制应当遵循的准则:

• 空闲让进：临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区
• 忙则等待：当已经有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待
• 有限等待：对请求访问临界区的进程，应保证其在有限的时间内进入临界区
• 让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机

原语操作

原语操作指的是一系列操作从开始执行到结束都不允许被中断

并发 & 并行

并发和并行的区别仅在于“是否拥有多个处理机”

从宏观来看，并发与并行属于同时运行的，多个进程之间处于异步，没有区别

从微观来看：

• 并发：发生在一个处理机上的多个进程，在一个时间段内，有多个任务都处于启动到运行完毕之间的状态，这些任务在同一个处理器上运行。
• 并行：发生在多个处理机上的多个进程，在一个时间段内，多个处理器或者多核处理器上同时处理多个任务。

如下图：

并行

X 轴是时间；Y 轴是进程

并发

X 轴是时间；Y 轴是进程

并发就是一个处理器去分神处理多个进程

并行就是多个处理器专一去处理多个进程

来个比喻：并发是一个人同时吃三个馒头，而并行是三个人同时吃三个馒头。

宏观角度来看，都没了三个馒头，但从微观的角度看就不一样了

信号量 - “数据 / 计数器”

它本质上就是一个整数变量，用来记录某项资源的数量。

信号量是 OS 提供的一种机制，用于表示临界资源的数量

比如 int count = 5

PV 操作 - “动作 / 方法”

这是对信号量进行操作的唯一途径（原语）：

P (Proberen = 尝试/申请）--- 申请一个资源，如果资源不够就阻塞等待（进入阻塞队列）

P操作的底层，是申请并获得了对“信号量”这个共享数据结构的独占修改权。利用这个独占权，它原子地完成了对资源状态的判断和更新，从而决定了当前进程是否有权访问真正的临界资源

V (Verhogen = 增加/释放) --- 释放一个资源，如果有进程在等待该资源，则唤醒一个进程

V操作的底层则是返还了“信号量”这个共享数据结构，在“信号量”这个共享数据结构被更新后，如果当前“信号量”仍为负数（代表当前有其他进程正在请求这个共享数据结构，并处于阻塞状态）就将阻塞队列的头进程唤醒，它会进入就绪态

锁 - “特例 / 应用”

锁是一种特殊的信号量，它的资源只有 1（即：要么是 0，要么是 1）。

所以，互斥 = 初始值为 1 的信号量。

在 Java 中，ReentrantLock 就是把 PV 操作封装成了 lock() 和 unlock() 方法给程序员使用。

Java 是怎么使用同步和互斥的？

锁（Lock）不是资源本身，锁是访问资源的“入场券”。

显式锁 - ReentrantLock - 互斥量

在 Java 中可以使用 Lock.lock 对一块地方上锁（其实是 JVM 向 OS 申请了一块互斥空间/临界资源），在 Java 中，变量可以被放置到临界资源区中，这样子来实现锁

例如

// 1. 【抢钥匙】
// 这一步不是申请资源，而是“申请访问资源的权限”。
// 如果拿到钥匙，就进门；拿不到，就在门口排队（阻塞）。
lock.lock(); 

try {
    // 2. 【临界区 (Critical Section)】
    // 只有拿到了钥匙的线程，才能运行这几行代码。
    // 在这里，你可以安全地操作“临界资源”（比如 map.put, count++）。
    // 此时，别人进不来，因为钥匙在你兜里。
    map.put("key", 1); 

} finally {
    // 3. 【还钥匙】
    // 这一步不是把资源还给 OS（厕所还在），而是“归还权限”。
    // 把钥匙挂回墙上，通知门口排队的人：“我用完了，你们抢吧”。
    lock.unlock(); 
}

其实 Java 在 lock 的底层就已经实现了阻塞了，那么这个时候就有人要问了，老师老师，那我们（Condition）呢？

一句话总结：阻塞 不等于 释放锁。只有 Condition.await() 才能做到 “在阻塞的同时释放锁”。

把话说得更日常一点：你在食堂吃饭，一般来讲就是 先抢位置（抢锁） -> 去打饭（调用资源） -> 吃饭（使用资源） -> 离开（释放资源和锁） 这一个过程

lock 相当于你抢了一个位置，然后在排打饭队伍，快到你了告诉你：小伙子不好意思啊，饭没了，你得等一下了，condition 的做法是你先把座位放开，让其他已经打了饭同学可以坐，然后你去等阿姨跟你说，饭好了，然后你再去抢座位，抢饭。

如果没有 condition，相当于阿姨跟你说没饭了，你说：那没事儿，我等等，但是座位还是你的啊，其他要吃饭的人就没座位了，那不就是占着茅坑不拉屎了吗？

隐式锁 - synchronized - 管程

在 JDK 编写过程，开发者就已经给每一个对象上了一把隐式锁

隐式锁可以通过添加 synchronized 关键字开启

Java中为什么基本数据类型不能加锁

简单来说，之所以基本数据类型不能加锁的原因是：基本数据类型的大小是固定的，没有多余的空间去放锁头

死锁

由多个并发进程因争夺系统资源而产生相互等待的现象

死锁产生的四个必要条件

• 互斥：某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不能再访问，直到该进程访问结束。
• 占有且等待：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源。
• 不可抢占：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源抢过来。
• 循环等待：存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。

如何预防和避免死锁

预防死锁：可以通过破坏死锁产生的4个必要条件来 预防死锁

死锁避免：在使用前进行判断，只允许不会产生死锁的进程申请资源；

结语

在 Java 中，锁是 JDK 底层请求 OS 对临界区中的临界资源进行 PV 操作的实际操作，对于多线程和高并发来讲十分重要。

锁是一种同步机制，用于在存在资源竞争的环境中，强制限制对资源的访问顺序。它可以被理解为一个“令牌”或“许可证”，谁拿到了这个令牌，谁就有权访问被保护的资源。

锁的逻辑围绕着两个基本操作：获取锁 和 释放锁，以及它们之间的代码区域——临界区。