锁分类

Java提供了种类丰富的锁，每种锁因其特性的不同，在适当的场景下能够展现出非常高的效率

按场景分类

按用途分类

乐观锁 VS 悲观锁

悲观锁：

概念：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。
场景：synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁

乐观锁：

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
场景：CAS、数据库

自旋锁 VS 适应性自旋锁

在介绍自旋锁前，我们需要介绍一些前提知识来帮助大家明白自旋锁的概念。

阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。

而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

自旋锁本身是有缺点的，它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。

自旋锁的实现原理同样也是CAS，AtomicInteger中调用unsafe进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改数值失败则通过循环来执行自旋，直至修改成功。

自旋锁在JDK1.4.2中引入，使用-XX:+UseSpinning来开启。JDK 6中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。

适应性自旋锁：

自适应意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源

公平锁 VS 非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

可重入 VS 不可重入

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或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。

打水的例子，有多个人在排队打水，此时管理员允许锁和同一个人的多个水桶绑定。这个人用多个水桶打水时，第一个水桶和锁绑定并打完水之后，第二个水桶也可以直接和锁绑定并开始打水，所有的水桶都打完水之后打水人才会将锁还给管理员。这个人的所有打水流程都能够成功执行，后续等待的人也能够打到水。这就是可重入锁

但如果是非可重入锁的话，此时管理员只允许锁和同一个人的一个水桶绑定。第一个水桶和锁绑定打完水之后并不会释放锁，导致第二个水桶不能和锁绑定也无法打水。当前线程出现死锁，整个等待队列中的所有线程都无法被唤醒。

CAS

CAS(compare and swap) 比较并替换，比较和替换是线程并发算法时用到的一种技术

CAS是非阻塞的、轻量级的乐观锁、无锁算法

CAS是原子操作，保证并发安全，而不是保证并发同步

如果V值等于E值，则将V的值设为N。若V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。通俗的理解就是CAS操作需要我们提供一个期望值，当期望值与当前线程的变量值相同时，说明还没线程修改该值，当前线程可以进行修改，也就是执行CAS操作，但如果期望值与当前线程不符，则说明该值已被其他线程修改，此时不执行更新操作，但可以选择重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。

ABA问题

开始位置V得到的旧值是A，当进行赋值操作时再次读取发现仍然是A，并不能说明变量没有被其它线程改变过，有可能是其它线程将变量改为了B，后来又改回了A

解决方案：

1、追加版本号：在变量前面追加版本号：每次变量更新就把版本号加1，则A-B-A就变成1A-2B-3A
2、使用atomic包下的AtomicStampedReference类

其他问题

1、自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销

解决：控制自旋的次数

2、当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性

方案一：当然还有一种取巧的方式，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作

方案二：使用JDK的原子操作类: AtomicXXXXX

Atomic保证原子性

synchronized

Synchronized是JVM实现的一种内置锁，锁的获取和释放是由JVM隐式实现，synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步、并且锁存在Java对象头中

synchronized 的特性

可见性：其中synchronized对一个类或对象加锁时，一个线程如果要访问该类或对象必须先获得它的锁，而这个锁的状态对于其他任何线程都是可见的，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，保证资源变量的可见性，如果某个线程占用了该锁，其他线程就必须在锁池中等待锁的释放。

有序性：synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块，也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的，保证了有序性。

可重入：当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁

非公平：synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性

重量级：Synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的，每次获取和释放锁操作都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统性能开销。因此，在锁竞争激烈的情况下，Synchronized同步锁在性能上就表现得非常糟糕，它也常被大家称为重量级锁。

synchronized 锁升级

JDK1.6版本之后、 synchronized引入了“偏向锁”和“轻量级锁”、甚至某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁

synchronized锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级

synchronized 使用

修饰的代码块

synchronized修饰的代码块称为同步语句块，范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象实例

javac -encoding UTF-8 T01.java
javap -v T01.class

Synchronized在修饰同步代码块时，是由 monitorenter和monitorexit指令来实现同步的。进入monitorenter 指令后，线程将持有Monitor对象，退出monitorenter指令后，线程将释放该Monitor对象。

修饰的方法

synchronized被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象实例

当Synchronized修饰同步方法时，并没有发现monitorenter和monitorexit指令，而是出现了一个ACC_SYNCHRONIZED标志

这是因为JVM使用了ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否是同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置ACC_SYNCHRONIZED访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有Monitor对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该Mointor对象，当方法执行完成后，再释放该Monitor对象。

修饰静态方法

Synchronized修饰静态方法是属于类的而不是对象实例的，其作用的范围是整个方法，作用对象是类的所有对象实例

修饰类

Synchronized修饰类，范围是大括号{}括起来的代码，作用对象是类的所有对象实例

DCL

双重检查锁定（Double Check Lock，DCL）、DCL 主要用于保证单例模式中懒汉模式线程安全

案例三问题：

举例：

A线程singleton = new T03()发生重排序，将分配的内存空间引用赋值给了静态属性singleton（即singleton != null），而对象还未初始化（即Integer a == null）；

B线程此时调用getInstance()方法，因为singleton != null，直接返回singleton。当B线程使用singleton的a属性时就会空指针

AQS

AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 是抽象队列同步器、是Doug Lea大作、用来构建Lock锁和同步组件的基础框架

CLH队列

CLH队列：是一个双向链表队列，其内部由head和tail分别记录头结点和尾结点，队列的元素类型是Node

入队列 入队列.gif

出队列 出队列.gif

共享式与独占式

公平与非公平

reentrantLock

ReentrantLock是Java并发包中互斥锁，底层通过AQS实现、它有公平锁和非公平锁两种实现方式

核心特性：

核心逻辑：

核心方法：

公平：Lock lock=new ReentrantLock(true);
非公平：Lock lock=new ReentrantLock(false);
阻塞等待获取锁：lock()
尝试加锁：tryLock()
释放锁：unlock()

高并发教程二：Java 锁（锁分类、CAS、synchronized、DCL、AQS、reentrantLock）

锁分类