Java中的鎖

Java中往往按照是否含有某一特性來定義鎖

Java主流鎖：

• 執行緒要不要鎖住同步資源
  • 鎖住--------------悲觀鎖
  • 不鎖住-----------樂觀鎖
• 鎖住同步資源失敗，執行緒要不要阻塞
  • 阻塞
  • 不阻塞
    • 自旋鎖
    • 適應性自旋鎖
• 多個執行緒競爭同步資源的流程細節有沒有區別
  • 不鎖住資源，多個執行緒中只能有一個能修改資源成功，其他執行緒會重試------------無鎖
  • 同一個執行緒執行同步資源時自動獲取資源----------------------------------------------------偏向鎖
  • 多個執行緒競爭同步資源時，沒有獲取資源的執行緒自旋等待鎖釋放---------------------輕量級鎖
  • 多個執行緒競爭同步資源時，沒有獲取資源的執行緒阻塞等待喚醒------------------------重量級鎖
• 多個執行緒競爭鎖時要不要排隊
  • 排隊----------------------------------------------------公平鎖
  • 先嚐試插隊，插隊失敗再排隊------------------非公平鎖
• 一個執行緒中的多個流程能不能獲取同一把鎖
  • 能-------------------------------------------------------公平鎖
  • 不能----------------------------------------------------非公平鎖
• 多個執行緒能不能共享一把鎖
  • 能-------------------------------------------------------共享鎖
  • 不能----------------------------------------------------排他鎖

樂觀鎖與悲觀鎖：

對於同一個資料的併發操作，悲觀鎖認為自己在使用資料的時候一定有別的執行緒來修改資料，因此在獲取資料的時候會先加鎖，確保資料不會被別的執行緒修改。

而樂觀鎖認為自己在使用資料時不會有別的執行緒修改資料，所以不會新增鎖，只是在更新資料的時候去判斷之前有沒有別的執行緒更新了這個資料。如果這個資料沒有被更新，當前執行緒將自己修改的資料成功寫入。如果資料已經被其他執行緒更新，則根據不同的實現方式執行不同的操作（例如報錯或者自動重試）。

樂觀鎖在Java中是通過使用無鎖程式設計來實現，最常採用的是CAS演算法，Java原子類中的遞增操作就通過CAS自旋實現的。

• 悲觀鎖適合寫操作多的場景，先加鎖可以保證寫操作時資料正確。
• 樂觀鎖適合讀操作多的場景，不加鎖的特點能夠使其讀操作的效能大幅提升。

悲觀鎖：

public synchronized void testMethod() {
    //操作同步資源
}

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void modifyPublicResources() {
    lock.lock();
    // 操作同步資源
    lock.unlock();
}

樂觀鎖：

private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 需要保證多個執行緒使用的是同一個AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //執行自增1

CAS演算法：

CAS全稱 Compare And Swap（比較與交換），是一種無鎖演算法。在不使用鎖（沒有執行緒被阻塞）的情況下實現多執行緒之間的變數同步。java.util.concurrent包中的原子類就是通過CAS來實現了樂觀鎖。

當且僅當 V 的值等於 A 時，CAS通過原子方式用新值B來更新V的值（“比較+更新”整體是一個原子操作），否則不會執行任何操作。一般情況下，“更新”是一個不斷重試的操作。

之前提到java.util.concurrent包中的原子類，就是通過CAS來實現了樂觀鎖，

自旋鎖與適應性自旋鎖：

阻塞或喚醒一個Java執行緒需要作業系統切換CPU狀態來完成，這種狀態轉換需要耗費處理器時間。如果同步程式碼塊中的內容過於簡單，狀態轉換消耗的時間有可能比使用者程式碼執行的時間還要長。

為了讓當前執行緒“稍等一下”，我們需讓當前執行緒進行自旋，如果在自旋完成後前面鎖定同步資源的執行緒已經釋放了鎖，那麼當前執行緒就可以不必阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免切換執行緒的開銷。這就是自旋鎖。

自旋鎖本身是有缺點的，它不能代替阻塞。自旋等待雖然避免了執行緒切換的開銷，但它要佔用處理器時間。如果鎖被佔用的時間很短，自旋等待的效果就會非常好。反之，如果鎖被佔用的時間很長，那麼自旋的執行緒只會白浪費處理器資源。（預設10次）

自旋鎖的實現原理同樣也是CAS，AtomicInteger中呼叫unsafe進行自增操作的原始碼中的do-while迴圈就是一個自旋操作，如果修改數值失敗則通過迴圈來執行自旋，直至修改成功。

自適應意味著自旋的時間（次數）不再固定，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖物件上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，並且持有鎖的執行緒正在執行中，那麼虛擬機器就會認為這次自旋也是很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續相對更長的時間。如果對於某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以後嘗試獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，直接阻塞執行緒，避免浪費處理器資源。

無鎖與偏向鎖與輕量級鎖與重量級鎖：

這四種鎖是指鎖的狀態，專門針對synchronized的。

公平鎖與非公平鎖：

公平鎖是指多個執行緒按照申請鎖的順序來獲取鎖，執行緒直接進入佇列中排隊，佇列中的第一個執行緒才能獲得鎖。公平鎖的優點是等待鎖的執行緒不會餓死。缺點是整體吞吐效率相對非公平鎖要低，等待佇列中除第一個執行緒以外的所有執行緒都會阻塞，CPU喚醒阻塞執行緒的開銷比非公平鎖大。

非公平鎖是多個執行緒加鎖時直接嘗試獲取鎖，獲取不到才會到等待佇列的隊尾等待。但如果此時鎖剛好可用，那麼這個執行緒可以無需阻塞直接獲取到鎖，所以非公平鎖有可能出現後申請鎖的執行緒先獲取鎖的場景。非公平鎖的優點是可以減少喚起執行緒的開銷，整體的吞吐效率高，因為執行緒有機率不阻塞直接獲得鎖，CPU不必喚醒所有執行緒。缺點是處於等待佇列中的執行緒可能會餓死，或者等很久才會獲得鎖。

可重入鎖與非可重入鎖：

可重入鎖又名遞迴鎖，是指在同一個執行緒在外層方法獲取鎖的時候，再進入該執行緒的內層方法會自動獲取鎖（前提鎖物件得是同一個物件或者class），不會因為之前已經獲取過還沒釋放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖，可重入鎖的一個優點是可一定程度避免死鎖。

獨享鎖與共享鎖：

獨享鎖也叫排他鎖，是指該鎖一次只能被一個執行緒所持有。如果執行緒T對資料A加上排它鎖後，則其他執行緒不能再對A加任何型別的鎖。獲得排它鎖的執行緒即能讀資料又能修改資料。

共享鎖是指該鎖可被多個執行緒所持有。如果執行緒T對資料A加上共享鎖後，則其他執行緒只能對A再加共享鎖，不能加排它鎖。獲得共享鎖的執行緒只能讀資料，不能修改資料。

獨享鎖與共享鎖也是通過AQS來實現的，通過實現不同的方法，來實現獨享或者共享。