0x00 简介

0x01 乐观锁与悲观锁

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候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。悲观锁适用于写操作多的过程，先加锁可以保证写操作时的数据正确。

而乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新，当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。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是通过CAS自旋实现的。

乐观锁的主要实现方式为CAS技术，CAS即为Compare And Swap（比较与交换）。这是一种无锁算法，在不使用锁的情况下，实现多线程之间的变量同步。诸如AtomicInteger之类的原子类就是通过CAS实现的乐观锁。其主要涉及3个操作数，需要读写的内存值V，进行比较的值A和要写入的新值B。当且仅当V==A的时候，才会将新值B写入V，否则不执行任何操作。这是一个不断重复尝试的操作，如果操作不成功的话，会导致其一直自旋，给CPU带来较大开销。自旋就是一个循环等待的这么一个过程，不断等待直至成功，等待的过程即忙等待（busy-waiting）。

CAS会引入ABA问题，假设这样一个场景，线程A使用CAS读到值为10，在准备修改新值之前，线程B将这个值修改为了20，然后线程C又重新将这个值修改为了10，此时该值又恢复成为旧值。这样的话，我们就无法正确地判断这个变量是否已经被修改过。如下图：

为了解决ABA问题，可以使用AtomicStampedReference原子类，这是一个带有时间戳的对象引用，每次修改后，其不仅会设置新值而且会记录更改时间，当使用其设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功。

0x02 自旋锁和适应性自旋锁

阻塞和唤醒一个线程本身需要耗费大量的CPU时间来完成。在很多场景中，同步资源锁定的时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的时间可能会使系统得不偿失。为了让当前线程稍等一下，我们可以让当前线程自旋，如果在自旋完成后，前面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，从而避免了切换线程的开销。

自旋锁适用于锁被占用时间很短的情况，如果锁被占用的时间较长，自旋的线程就会白白占用处理器资源。

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。

0x03 偏向锁、轻量级锁和重量级锁

偏向锁偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，那么持有偏向锁的线程无需再进行同步。很明显，当锁的竞争情况很少出现时，偏向锁就能提高性能。

轻量级锁是指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，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。

重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

0x04 公平锁和非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。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。

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。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。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。

0x05 可重入锁和非可重入锁

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，外层方法调用同样加锁的内层方法时会自动获取锁，当然前提是锁住的是同一个对象或者class。Java中的ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。可重入锁的一个优点是在一定程度上可以避免死锁。

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("方法1执行...");
        doOthers();
    }

    public synchronized void doOthers() {
        System.out.println("方法2执行...");
    }
}

在上面的代码中，类中的两个方法都是被内置锁synchronized修饰的，doSomething()方法中调用doOthers()方法。因为内置锁是可重入的，所以同一个线程在调用doOthers()时可以直接获得当前对象的锁，进入doOthers()进行操作。

如果是一个不可重入锁，那么当前线程在调用doOthers()之前需要将执行doSomething()时获取当前对象的锁释放掉，实际上该对象锁已被当前线程所持有，且无法释放。所以此时会出现死锁。

0x06 独享锁和共享锁

独享锁即排它锁，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，则其它线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程既能读数据又能写数据。synchronized即为排它锁。

共享锁指的是该锁可以被多个线程所持有。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。而且持有共享锁的线程只能读数据但不能写数据。

在ReentrantReadWriteLock里面，读锁是共享锁，写锁是排它锁。读锁的共享锁可保证并发读非常高效，而读写、写读、写写的过程互斥，因为读锁和写锁是分离的。所以ReentrantReadWriteLock的并发性相比一般的互斥锁有了很大提升。