• 樂觀鎖和悲觀鎖
• 獨占鎖和共享鎖
• 互斥鎖和讀寫鎖
• 公平鎖和非公平鎖
• 可重入鎖
• 自旋鎖
• 分段鎖
• 鎖升級（無鎖|偏向鎖|輕量級鎖|重量級鎖）
• 鎖優(yōu)化技術(shù)（鎖粗化、鎖消除）

樂觀鎖和悲觀鎖

悲觀鎖

悲觀鎖對應(yīng)于生活中悲觀的人，悲觀的人總是想著事情往壞的方向發(fā)展。

舉個生活中的例子，假設(shè)廁所只有一個坑位了，悲觀鎖上廁所會第一時間把門反鎖上，這樣其他人上廁所只能在門外等候，這種狀態(tài)就是「阻塞」了。

回到代碼世界中，一個共享數(shù)據(jù)加了悲觀鎖，那線程每次想操作這個數(shù)據(jù)前都會假設(shè)其他線程也可能會操作這個數(shù)據(jù)，所以每次操作前都會上鎖，這樣其他線程想操作這個數(shù)據(jù)拿不到鎖只能阻塞了。

在 Java 語言中 synchronized 和 ReentrantLock等就是典型的悲觀鎖，還有一些使用了 synchronized 關(guān)鍵字的容器類如 HashTable 等也是悲觀鎖的應(yīng)用。

樂觀鎖

樂觀鎖 對應(yīng)于生活中樂觀的人，樂觀的人總是想著事情往好的方向發(fā)展。

舉個生活中的例子，假設(shè)廁所只有一個坑位了，樂觀鎖認(rèn)為：這荒郊野外的，又沒有什么人，不會有人搶我坑位的，每次關(guān)門上鎖多浪費時間，還是不加鎖好了。你看樂觀鎖就是天生樂觀！

回到代碼世界中，樂觀鎖操作數(shù)據(jù)時不會上鎖，在更新的時候會判斷一下在此期間是否有其他線程去更新這個數(shù)據(jù)。

樂觀鎖可以使用版本號機(jī)制和CAS算法實現(xiàn)。在 Java 語言中 java.util.concurrent.atomic包下的原子類就是使用CAS 樂觀鎖實現(xiàn)的。

兩種鎖的使用場景

悲觀鎖和樂觀鎖沒有孰優(yōu)孰劣，有其各自適應(yīng)的場景。

樂觀鎖適用于寫比較少（沖突比較小）的場景，因為不用上鎖、釋放鎖，省去了鎖的開銷，從而提升了吞吐量。

如果是寫多讀少的場景，即沖突比較嚴(yán)重，線程間競爭激勵，使用樂觀鎖就是導(dǎo)致線程不斷進(jìn)行重試，這樣可能還降低了性能，這種場景下使用悲觀鎖就比較合適。

獨占鎖和共享鎖

獨占鎖

獨占鎖是指鎖一次只能被一個線程所持有。如果一個線程對數(shù)據(jù)加上排他鎖后，那么其他線程不能再對該數(shù)據(jù)加任何類型的鎖。獲得獨占鎖的線程即能讀數(shù)據(jù)又能修改數(shù)據(jù)。

JDK中的synchronized和java.util.concurrent(JUC)包中Lock的實現(xiàn)類就是獨占鎖。

共享鎖

共享鎖是指鎖可被多個線程所持有。如果一個線程對數(shù)據(jù)加上共享鎖后，那么其他線程只能對數(shù)據(jù)再加共享鎖，不能加獨占鎖。獲得共享鎖的線程只能讀數(shù)據(jù)，不能修改數(shù)據(jù)。

在 JDK 中 ReentrantReadWriteLock 就是一種共享鎖。

互斥鎖和讀寫鎖

互斥鎖

互斥鎖是獨占鎖的一種常規(guī)實現(xiàn)，是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進(jìn)行訪問，具有唯一性和排它性。

互斥鎖一次只能一個線程擁有互斥鎖，其他線程只有等待。

讀寫鎖

讀寫鎖是共享鎖的一種具體實現(xiàn)。讀寫鎖管理一組鎖，一個是只讀的鎖，一個是寫鎖。

讀鎖可以在沒有寫鎖的時候被多個線程同時持有，而寫鎖是獨占的。寫鎖的優(yōu)先級要高于讀鎖，一個獲得了讀鎖的線程必須能看到前一個釋放的寫鎖所更新的內(nèi)容。

讀寫鎖相比于互斥鎖并發(fā)程度更高，每次只有一個寫線程，但是同時可以有多個線程并發(fā)讀。

在 JDK 中定義了一個讀寫鎖的接口：ReadWriteLock

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * 獲取讀鎖
     */
    Lock readLock();

    /**
     * 獲取寫鎖
     */
    Lock writeLock();
}

ReentrantReadWriteLock 實現(xiàn)了ReadWriteLock接口，具體實現(xiàn)這里不展開，后續(xù)會深入源碼解析。

公平鎖和非公平鎖

公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖，這里類似排隊買票，先來的人先買，后來的人在隊尾排著，這是公平的。

在 java 中可以通過構(gòu)造函數(shù)初始化公平鎖

/**
* 創(chuàng)建一個可重入鎖，true 表示公平鎖，false 表示非公平鎖。默認(rèn)非公平鎖
*/
Lock lock = new ReentrantLock(true);

非公平鎖

非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序并不是按照申請鎖的順序，有可能后申請的線程比先申請的線程優(yōu)先獲取鎖，在高并發(fā)環(huán)境下，有可能造成優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)，或者饑餓的狀態(tài)（某個線程一直得不到鎖）。

在 java 中 synchronized 關(guān)鍵字是非公平鎖，ReentrantLock默認(rèn)也是非公平鎖。

/**
* 創(chuàng)建一個可重入鎖，true 表示公平鎖，false 表示非公平鎖。默認(rèn)非公平鎖
*/
Lock lock = new ReentrantLock(false);

可重入鎖

可重入鎖又稱之為遞歸鎖，是指同一個線程在外層方法獲取了鎖，在進(jìn)入內(nèi)層方法會自動獲取鎖。

對于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一個可重入鎖。對于Synchronized而言，也是一個可重入鎖。

敲黑板：可重入鎖的一個好處是可一定程度避免死鎖。

以 synchronized 為例，看一下下面的代碼：

public synchronized void mehtodA() throws Exception{
 // Do some magic tings
 mehtodB();
}

public synchronized void mehtodB() throws Exception{
 // Do some magic tings
}

上面的代碼中 methodA 調(diào)用 methodB，如果一個線程調(diào)用methodA 已經(jīng)獲取了鎖再去調(diào)用 methodB 就不需要再次獲取鎖了，這就是可重入鎖的特性。如果不是可重入鎖的話，mehtodB 可能不會被當(dāng)前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

自旋鎖

自旋鎖是指線程在沒有獲得鎖時不是被直接掛起，而是執(zhí)行一個忙循環(huán)，這個忙循環(huán)就是所謂的自旋。

自旋鎖的目的是為了減少線程被掛起的幾率，因為線程的掛起和喚醒也都是耗資源的操作。

如果鎖被另一個線程占用的時間比較長，即使自旋了之后當(dāng)前線程還是會被掛起，忙循環(huán)就會變成浪費系統(tǒng)資源的操作，反而降低了整體性能。因此自旋鎖是不適應(yīng)鎖占用時間長的并發(fā)情況的。

在 Java 中，AtomicInteger 類有自旋的操作，我們看一下代碼：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

CAS 操作如果失敗就會一直循環(huán)獲取當(dāng)前 value 值然后重試。

另外自適應(yīng)自旋鎖也需要了解一下。

在JDK1.6又引入了自適應(yīng)自旋，這個就比較智能了，自旋時間不再固定，由前一次在同一個鎖上的自旋時間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。如果虛擬機(jī)認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功那就會次序較多的時間，如果自旋很少成功，那以后可能就直接省略掉自旋過程，避免浪費處理器資源。

分段鎖

分段鎖 是一種鎖的設(shè)計，并不是具體的一種鎖。

分段鎖設(shè)計目的是將鎖的粒度進(jìn)一步細(xì)化，當(dāng)操作不需要更新整個數(shù)組的時候，就僅僅針對數(shù)組中的一項進(jìn)行加鎖操作。

在 Java 語言中 CurrentHashMap 底層就用了分段鎖，使用Segment，就可以進(jìn)行并發(fā)使用了。

鎖升級（無鎖|偏向鎖|輕量級鎖|重量級鎖）

JDK1.6 為了提升性能減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的消耗，引入了4種鎖的狀態(tài)：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖，它會隨著多線程的競爭情況逐漸升級，但不能降級。

無鎖

無鎖狀態(tài)其實就是上面講的樂觀鎖，這里不再贅述。

偏向鎖

Java偏向鎖(Biased Locking)是指它會偏向于第一個訪問鎖的線程，如果在運行過程中，只有一個線程訪問加鎖的資源，不存在多線程競爭的情況，那么線程是不需要重復(fù)獲取鎖的，這種情況下，就會給線程加一個偏向鎖。

偏向鎖的實現(xiàn)是通過控制對象Mark Word的標(biāo)志位來實現(xiàn)的，如果當(dāng)前是可偏向狀態(tài)，需要進(jìn)一步判斷對象頭存儲的線程 ID 是否與當(dāng)前線程 ID 一致，如果一致直接進(jìn)入。

輕量級鎖

當(dāng)線程競爭變得比較激烈時，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，輕量級鎖認(rèn)為雖然競爭是存在的，但是理想情況下競爭的程度很低，通過自旋方式等待上一個線程釋放鎖。

重量級鎖

如果線程并發(fā)進(jìn)一步加劇，線程的自旋超過了一定次數(shù)，或者一個線程持有鎖，一個線程在自旋，又來了第三個線程訪問時（反正就是競爭繼續(xù)加大了），輕量級鎖就會膨脹為重量級鎖，重量級鎖會使除了此時擁有鎖的線程以外的線程都阻塞。

升級到重量級鎖其實就是互斥鎖了，一個線程拿到鎖，其余線程都會處于阻塞等待狀態(tài)。

在 Java 中，synchronized 關(guān)鍵字內(nèi)部實現(xiàn)原理就是鎖升級的過程：無鎖 --> 偏向鎖 --> 輕量級鎖 --> 重量級鎖。這一過程在后續(xù)講解 synchronized 關(guān)鍵字的原理時會詳細(xì)介紹。

鎖優(yōu)化技術(shù)（鎖粗化、鎖消除）

鎖粗化

鎖粗化就是將多個同步塊的數(shù)量減少，并將單個同步塊的作用范圍擴(kuò)大，本質(zhì)上就是將多次上鎖、解鎖的請求合并為一次同步請求。

舉個例子，一個循環(huán)體中有一個代碼同步塊，每次循環(huán)都會執(zhí)行加鎖解鎖操作。

private static final Object LOCK = new Object();

for(int i = 0;i < 100; i++) {
    synchronized(LOCK){
        // do some magic things
    }
}

經(jīng)過鎖粗化后就變成下面這個樣子了：

 synchronized(LOCK){
     for(int i = 0;i < 100; i++) {
        // do some magic things
    }
}

鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)編譯器在運行時檢測到了共享數(shù)據(jù)沒有競爭的鎖，從而將這些鎖進(jìn)行消除。

舉個例子讓大家更好理解。

public String test(String s1, String s2){
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
    stringBuffer.append(s1);
    stringBuffer.append(s2);
    return stringBuffer.toString();
}

上面代碼中有一個 test 方法，主要作用是將字符串 s1 和字符串 s2 串聯(lián)起來。

test 方法中三個變量s1, s2, stringBuffer， 它們都是局部變量，局部變量是在棧上的，棧是線程私有的，所以就算有多個線程訪問 test 方法也是線程安全的。

我們都知道 StringBuffer 是線程安全的類，append 方法是同步方法，但是 test 方法本來就是線程安全的，為了提升效率，虛擬機(jī)幫我們消除了這些同步鎖，這個過程就被稱為鎖消除。

StringBuffer.class

// append 是同步方法
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

一張圖總結(jié)：

前面講了 Java 語言中各種各種的鎖，最后再通過六個問題統(tǒng)一總結(jié)一下：