Java多线程 锁

1、乐观锁与悲观锁

（1）悲观锁

对于同一个数据的并发操作，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。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

（2）乐观锁

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（例如报错或者自动重试）。
乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的

CSA算法详解以及他们的使用场景和优缺点：
上一篇博客：Java多线程 乐观锁、悲观锁、以及CAS算法

2、公平锁与非公平锁

（1）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

优点：等待锁的线程不会饿死
缺点：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。

图解：

（2）非公平锁
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

优点：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：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

图解：

3、可重入锁与不可重入锁

（1）可重入锁
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。

（2）是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，不能再进入该线程的内层方法会自动获取锁。如（非可重入锁NonReentrantLock）。

ReentrantLock和NonReentrantLock的实现原理：
其父类AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数，status初始值为0。当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status == 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status != 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行status+1，且当前线程可以再次获取锁。而非可重入锁是直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status != 0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞。

synchronized 实现是由jvm底层实现。

4、独享锁与共享锁

（1）独享锁
独享锁也叫排他锁，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。（例如ReentrantReadWriteLock中的写锁）

（2）共享锁
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。（例如ReentrantReadWriteLock中的读锁）

Java提供了一个基于AQS到读写锁实现ReentrantReadWriteLock，该读写锁到实现原理是：将同步变量state按照高16位和低16位进行拆分，高16位表示读锁，低16位表示写锁。
结构如下图：

1、写锁是一个独享锁，所以我们看一下ReentrantReadWriteLock中tryAcquire(arg)的实现：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();int w = exclusiveCount(c);if (c != 0) {if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())return false;if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)throw new Error("Maximum lock count exceeded");// Reentrant acquiresetState(c + acquires);return true;}if (writerShouldBlock() ||!compareAndSetState(c, c + acquires))return false;setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}

获取：
（1）获取同步状态，并从中分离出低16为的写锁状态
（2）如果同步状态不为0，说明存在读锁或写锁
（3）如果存在读锁（c ！=0 && w == 0），则不能获取写锁（保证写对读的可见性）
（4）如果当前线程不是上次获取写锁的线程，则不能获取写锁（写锁为独占锁）
（5）如果以上判断均通过，则在低16为写锁同步状态上利用CAS进行修改（增加写锁同步状态，实现可重入）
（6）将当前线程设置为写锁的获取线程

释放的过程与独占锁基本相同。

2、读锁是一个共享锁，获取读锁的步骤如下：

（1）获取当前同步状态
（2）计算高16为读锁状态+1后的值
（3）如果大于能够获取到的读锁的最大值，则抛出异常
（4）如果存在写锁并且当前线程不是写锁的获取者，则获取读锁失败
（5）如果上述判断都通过，则利用CAS重新设置读锁的同步状态
读锁的获取步骤与写锁类似，即不断的释放写锁状态，直到为0时，表示没有线程获取读锁。

5、自旋锁 VS 适应性自旋锁

（1）自旋锁
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。

缺点：
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。

（2）适应自旋锁
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。

补充：在自旋锁中 另有三种常见的锁形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock，其中AQSde CLHlock在把线程封装成节点后插入CLH后便在做自旋操作。

6、无锁 、 偏向锁、量级锁 和 重量级锁（难点）

前言：
我们在自旋锁中提到的“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”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。

所以目前锁一共有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。

四种锁状态对应的的Mark Word内容：

（1）无锁
无锁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
CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

（2）偏向锁
偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
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，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

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

若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

（4）重量级锁
升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。