【线程】Java并发编程——锁机制

一、锁机制

1.1锁策略

加锁后，在处理冲突的过程中，涉及到一些不同的处理方式。此处的锁策略，并非是Java独有的。任何与“锁”相关的话题，都会涉及到以下内容。

1. 乐观锁与悲观锁：

• 乐观锁：假设数据⼀般情况下不会产⽣并发冲突，所以在数据进⾏提交更新的时候，才会正式对数据是否产⽣
  并发冲突进⾏检测。
• 悲观锁：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别⼈会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，
  这样别⼈想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。

2. 轻量级锁与重量级锁：

• 轻量级锁：加锁的开销比较小，加锁快。轻量级锁一般都是乐观锁。
• 重量级锁：加锁的开销比较大，加锁速度慢。重量级锁一般都是悲观锁。

3. 自旋锁与挂起等待锁

• 自旋锁：在进行加锁的时候，搭配一个while循环。如果加锁成功，循环结束；如果加锁失败，不是阻塞放弃CPU（缺点：浪费CPU资源，优点：锁被释放后，能够第一时间拿到锁），而是进行下一次循环，再次尝试获取锁。是典型的乐观锁、轻量级锁。
• 挂起等待锁：表示当获取锁失败之后，对应的线程就要在内核中挂起等待(放弃CPU,进入等待队列)，需要在锁被释放之后由操作系统唤醒（不能第一时间获取到锁，什么时候加锁由系统决定）。是典型的悲观锁、重量级锁。

synchronized是哪一种锁？
synchronized具有自适应能力，即某些情况下是乐观锁/轻量级锁/自旋锁，某些情况下是悲观锁/重量级锁/挂起等待锁。
如果当前锁冲突的激烈程度不大，就处于乐观锁/轻量级锁/自旋锁；
如果当前锁冲突的激烈程度很大，就处于悲观锁/重量级锁/挂起等待锁。

4.互斥锁与读写锁

• 互斥锁：像synchronized这样的锁，只是单纯的加锁解锁，不区分读锁和写锁。
• 读写锁：需要分别加读锁和写锁，读锁之间并不互斥，读写、写写之间互斥。

在Java里读写锁是通过ReentrantReadWriteLock这个类来实现。

// 创建一个读写锁
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 获取读锁
rwLock.readLock().lock();
// 释放读锁
rwLock.readLock().unlock();
// 创建一个写锁
rwLock.writeLock().lock();
// 写锁 释放
rwLock.writeLock().unlock();

5. 公平锁与非公平锁

• 公平锁：遵守先来后到的锁称为公平锁。优点在于不会出现“线程饥饿”问题。
• 非公平锁：多个线程获取锁的顺序有一定的随机性，并非按照先到先得的方式进行（随机获取）。优点在于性能相对较高。

6. 可重入锁与不可重入锁

• 可重入锁：一个线程可以针对一把锁，连续加锁多次，不会死锁，就是可重入锁。
• 不可重入锁：一个线程加锁多次会出现死锁，就是不可重入锁。

参考内容：多线程（八）：常见锁策略

像synchronized这样的锁，是一个乐观锁/悲观锁自适应、轻量级锁/重量级锁自适应、自旋锁/挂起等待锁自适应、互斥锁、非公平锁、可重入锁。
像Linux系统原生的mutex锁，是一个悲观锁、重量级锁、挂起等待锁、互斥锁、非公平锁、不可重入锁。

1.2 synchronized内部工作原理

• 锁升级：
  这部分我们主要是讲清楚何为自适应。
  当线程执行到synchronized的时候，如果这个对象当前处于未被加锁的状态，就会经历以下过程：

  1. 偏向锁阶段
     这个阶段并非真正加锁了，而是做了一个非常轻量的标记。
  2. 轻量级锁阶段
     假设存在锁竞争，但是不多。此处就实现一个自旋锁。当自旋的锁变多了（锁竞争变得更加激烈了，大量的自旋锁消耗了大量的CPU资源），就会进一步升级到重量级锁。
  3. 重量级锁阶段
     此时拿不到锁的线程就不会继续自旋了，而是进入“阻塞等待”（挂起等待锁），让出CPU（不会消耗很多的CPU资源）。当锁被释放后，由系统随机唤醒一个线程来获取锁。

  需要注意的是，此处的锁只能单向升级，不能降级。
  举个例子：
  此处这个过程类似于处对象。第一阶段就是搞暧昧，没有确定关系（只是进行标记，没有加锁），此时的开销就比较小。但是如果有别的妹子靠近我家鸽鸽，此时就要进入第二阶段，马上跟我家鸽鸽确定关系，让其他妹子离我家鸽鸽远点（轻量级锁，此时就存在锁竞争了）。当追求我家鸽鸽的人比较少的时候，她们都认为我跟我家鸽鸽分手后，她们就有很大的机会跟我家鸽鸽在一起，此时她们就一直围在我家鸽鸽身边，我一分手，他们就能立马跟我家鸽鸽确认关系（此时仍然是轻量级锁阶段），但是当追求我家鸽鸽的人比较多的时候，她们就认为追求到我家鸽鸽的机会不大，就都散去了。此时就进入第三阶段，当我跟我家鸽鸽分手后，隔一段时间后，有个妹子知道我跟我家鸽鸽分手了，就来跟我家鸽鸽确认关系，但是这个过程中，不知道隔了多久（不像第二阶段，我一分手，她们就立马能来和我家鸽鸽确认关系）。

• 锁消除：
  是synchronized中内置的优化策略。是编译器优化的一种方式，如果编译器编译代码的时候，发现这个代码，不需要加锁，就会自动把这个锁给消除掉。
  需要注意的是，这里的优化是比较保守的。比如单线程加锁、加锁代码中没有修改成员变量，只修改了一些局部变量的情况。很多的这种“模棱两可”，编译器也不能确定是否要加锁的代码，都不会进行锁消除。
  锁消除，针对的是那些一眼看上去就完全不涉及线程安全问题的代码，将锁消除掉。

• 锁粗化：
  将多个细粒度的锁，合并成一个粗粒度的锁。
  所谓的细粒度，就是被加锁的代码量比较少，是一个相对的概念。
  

小结：synchronized背后涉及的“优化手段”？

1. 锁升级，偏向锁->轻量级锁->重量级锁
2. 锁消除，自动消除掉不必要的锁
3. 锁粗化，把多个细粒度的锁合并成一个粗粒度的锁，较少锁竞争的开销。