Java 多线程 --- 锁的概念和类型划分

锁的概念

• 锁可以将多个线程对共享数据的并发访问转换为串行访问, 这样一个共享数据一次只能被一个线程访问, 该线程访问结束后其他线程才能对其进行访问.
• 锁具有排他性 (Exclusive), 即一个锁一次只能被一个线程持有. 所以这种锁被称为排他锁或者互斥锁 (Mutex).

乐观锁与悲观锁

• 乐观锁和悲观锁严格的说不是一种锁，而是一种策略

悲观锁

• 加锁是一种悲观的策略，它总是认为每次访问共享资源的时候，总会发生冲突，所以宁愿牺牲性能（时间）来保证数据安全
• 悲观锁的使用场景并不少见，数据库很多地方就用到了这种锁机制，比如行锁，表锁，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁，悲观锁的实现往往依靠数据库本身的锁功能实现。Java程序中的Synchronized和ReentrantLock等实现的锁也均为悲观锁。

乐观锁

• 乐观锁就是先不加锁. 无锁是一种乐观的策略，它假设线程访问共享资源不会发生冲突，所以不需要加锁，因此线程将不断执行，不需要停止。一旦碰到冲突，就重试当前操作直到没有冲突为止
• 无锁的策略之一就是使用CAS机制

CAS机制

• CAS的全称是Compare-and-Swap，也就是比较并交换，它包含了三个参数：V，A，B，
• V表示要读写的内存位置，A表示旧的预期值，B表示新值
• 具体的机制是，当执行CAS指令的时候，只有当V的值等于预期值A时，才会把V的值改为B，如果V和A不同，有可能是其他的线程修改了，这个时候，执行CAS的线程就会不断的循环重试，直到能成功更新为止
  
• CAS算是比较高效的并发控制手段，不会阻塞其他线程。但是，这样的更新方式是存在问题的，看流程就知道了，如果C的结果一直跟预期的结果不一样的话，线程A就会一直不断的循环重试，重试次数太多的话对CPU也是一笔不小的开销。
• CAS的ABA问题

• CAS还有个问题就是ABA问题，比如第一次拿到内存里的值时是Ａ，然后被其他线程修改为B, 然后又修改为A, 而此时去比较内存里的值会发现没有变，但是实际上还是有改动
• 举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，还好 ； 但是假若你是一个比较讲卫生的人，那你肯定就不高兴了
• ABA问题的解决思路: 使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A了

公平锁与非公平锁

公平锁

• 公平锁的概念是如果当前一个线程已经获取到锁了，其他线程如果再想获取到锁的话需要排队.

非公平锁

• 非公平锁的概念是如果当前一个线程已经获取到锁了，那么新来的线程如果再想获取到锁先CAS抢一下，如果抢到了就执行代码，抢不到在去排队

Java中的公平锁和非公平锁

• JDK中的ReentrantLock既支持非公平锁又支持公平锁，默认非公平锁
• Synchronized则是非公平锁

优缺点

• 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

什么是可重入锁

• 所谓重入锁，即一个线程如果获取到了锁，那么这个线程再下一次进入同步代码中的时候可以直接进入，不用重新获取锁，
• 我们最熟悉的sychronized和ReentrantLock都是可重入锁。其实从ReentrantLock的名称上就可以看出来，Reentrant这个单词翻译成中文就是可重入的意思.

• ReentrantLock可重入锁的实现，记录一下当前获取锁的线程记录为ownerThread，如果当前线程在获取锁的时候，发现自己就ownerThread，那么当前线程可以不用去抢锁直接执行

独占锁与共享锁

• 独占锁的概念是如果有一个线程已经获取到了锁，其他线程不可以继续获取锁，锁只能有此线程独占。

• 共享锁的概念是一个锁可以有多个线程共享，即一个线程获取到了锁，其他线程还可以继续获取锁

• 基于AQS实现的ReentrantLock就是独占锁，而AQS也提供了实现共享锁的模版方法tryAcquireShared.

轻量级锁和重量级锁

• 重量级锁的概念是如果锁已经被持有了，当前线程获取不到锁，当前线程挂起，等待锁的释放以及被唤醒。

• 轻量级锁的概念是如果锁已经被持有了，当前线程获取不到锁，那么将使用CAS机制或者自旋的方式获取锁 (在Java中Synchronized的轻量级锁是用自旋锁实现的)
• 这样设计的原因是大部分情况下我们占用锁的线程很快就执行完了，在很短的时间内就释放了锁，

• 如果使用重量级锁，那么下一个线程想获取锁继续执行的话需要经历挂起以及唤醒，这个过程需要CPU上下文切换，这个时间开销甚至大于用户代码执行的时间，所以轻量级锁让线程等一会，锁一旦释放，当前线程可以立马获取到，省去了不必要的上下文切换的开销

• JVM对Synchronized锁的优化就是从无锁到重量级锁的升级过程
• 无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

自旋锁 (Spinlock)

• 自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

• 获取锁的线程一直处于活跃状态，但是并没有执行任何有效的任务，使用这种锁会造成busy-waiting。