Java中的锁机制

乐观锁、悲观锁

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，一定有其他线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保不会被其他线程修改。Java中，synchronized和Lock的实现类都是悲观锁。

乐观锁，不会认为有其他线程修改数据，因此不会加锁，乐观锁只是在更新数据的时候去判断之前有没有其他线程更新了这个同步资源。

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。

综上看，悲观锁适合写操作，保证数据写入的正确性；乐观锁适合读操作，提高了读的性能。

自旋锁、适应性自旋锁

阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态需要耗费处理器时间。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，线程挂起和恢复的花费可能更大。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，就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，稍微一会等待持有锁的线程释放锁。

• 自旋锁：而为了让当前线程”等一会“，就需要让当前线程自旋，如果自旋完成后前面的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，从而避免线程切换的开销。

  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。

• 适应性自旋锁：Jdk1.6引入，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。

  在自旋锁中，另有三种常见的锁形式：TicketLock、CLHlock、MCSlock

无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized。

Jdk1.6之前synchronized 通过Monitor 实现线程同步，依赖的是Mutex Lock 互斥锁。属于重量级锁

Jkd1.6引入了偏向锁和轻量级锁，减少了获得锁和释放锁的性能消耗。

• 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。

  无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

• 偏向锁

  某个同步资源一直被一个线程访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。

  偏向锁在 Jdk1.6及以后的JVM里是默认启用的。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。

  当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头的标记字段（Mark Word）里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。

  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。

• 轻量级锁

  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，其他线程申请资源会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。

  如果同步对象锁状态为无锁状态，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，然后拷贝对象头中的Mark Word 到锁记录中。拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。

  如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。

  如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

• 重量级锁

  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。

  此时，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。

综上，偏向锁通过对比锁状态标记字段（Mark Word）解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

公平锁、非公平锁

公平锁

​ 多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程进入队列排队获取锁，排在队列第一的线程才能获得锁。

优点：等待锁的线程不会饿死。

缺点：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

​ 多个线程尝试获取锁，获取不到才去队尾等待。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：减少了唤起线程的开销，整体的吞吐效率高。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。

ReentrantLock里面有一个内部类Sync，Sync继承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在Sync中实现的。
ReentrantLock默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显式的指定使用公平锁。
公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件：hasQueuedPredecessors()。
ReentrantLock虽然有公平锁和非公平锁两种，但是它们添加的都是独享锁。

综上，公平锁就是通过同步队列来实现多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，从而实现公平的特性。非公平锁加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，所以存在后申请却先获得锁的情况。

可重入锁、非可重入锁

可重入锁又名递归锁，指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。

首先ReentrantLock和NonReentrantLock都继承父类AQS，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。

​ 释放锁时：可重入锁同样先获取当前status的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果status-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁。而非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将status置为0，将锁释放。

独享锁、共享锁

​ 独享锁/ 排它锁，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。获得排它锁的线程既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。

​ 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。

独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，实现独享或者共享。