1、多线程基础（三）
1.1、Java 中的锁分类
乐观锁/悲观锁
悲观锁和乐观锁是一种概念性上的锁，而不是具体机制锁。
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。
乐观锁
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通过CAS自旋实现的。
排他锁（X）/共享锁（S）
排他锁
排他锁也叫独享锁，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，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。
共享锁
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。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。
两种锁的兼容性是：SS、X。
这两种锁也是概念性锁。
互斥锁/读写锁
这两种锁就是排他锁和共享锁的实现。
互斥锁：ReentrantLock。
读写锁：ReadWriteLock。
可重入锁
可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。
比如synchronized的重入锁。A类中存在两个同步方法，B方法中访问了C方法，当线程访问B方法时就需要访问C方法，这时就需要获取同步锁，访问B方法时获取了同步锁，访问C方法时因为之前已经获取过了所以自动再获取一次锁，相当于再加一层锁，当相关方法结束的时候就会一层一层的释放锁。如果synchronized不可以重入，那么在获取了B方法的锁之后，访问C方法不能重入就不能获取到锁，因为锁被自己拿了，让自己放锁？自己释放锁又需要拿到C方法的锁，这就陷入了死锁过程。
公平锁/非公平锁
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
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。
分段锁
分段锁就是将数据拆分，将不同段的数据进行加锁，这样锁的粒度变小了，发生线程争抢的概率也更低了。不过这个是锁的一种设计方式，也是概念性锁。常用的实现方式就是ConcurrentHashMap。
偏向锁/轻量级锁/重量级锁
这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。
前置概念：
为什么Synchronized能实现线程同步？
synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步。
Java对象头
synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前需要给同步资源先加锁，这把锁就是存在Java对象头里的，而Java对象头又是什么呢？
我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。
Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
Monitor
Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。
Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。
阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。
所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。
无锁
无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
偏向锁
偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。
偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。
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。
在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。
若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。
重量级锁
升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。
综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
自旋锁/适应性自旋锁
自旋锁
阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。
在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。
而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，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，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
总的来说就是让线程去持续的尝试获取锁
自旋锁本身是有缺点的，它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。
适应性自旋锁
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。
1.2、Java 中锁示例
ReentrantLock（可重入锁）
基础用法
代码语言：c#复制public class TestThread {
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
private static int num = 10;
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
reentrantLock.lock();
try {
for (int i = 0; i < 10; i ) {
System.out.println(String.format("%s:%d",Thread.currentThread().getName(),num));
Thread.sleep(100);
num ;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}).start();
new Thread(() -> {
reentrantLock.lock();
try {
for (int i = 0; i < 10; i ) {
System.out.println(String.format("%s:%d",Thread.currentThread().getName(),num));
Thread.sleep(100);
num--;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}).start();
}
}同样是可重入锁，那么相对于 synchronized 有什么区别呢？
可尝试获取锁
在 synchronized 中，一个线程持有锁，那么另外一个线程想去获取锁就会被一直阻塞直到获取锁为止，而在 ReentrantLock 可以尝试去获取锁，如果获取不到锁，线程可以做其他操作。
代码语言：c#复制public class TestThread {
private static ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
private static int num = 10;
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
boolean lockStatus = reentrantLock.tryLock();
if (!lockStatus){
System.out.println(String.format("%s获取锁失败",Thread.currentThread().getName()));
return;
}else{
try{
System.out.println(String.format("%s:%d",Thread.currentThread().getName(),num));
}finally {
reentrantLock.unlock();
}
}
}).start();
new Thread(() -> {
reentrantLock.lock();
try {
for (int i = 0; i < 10; i ) {
System.out.println(String.format("%s:%d",Thread.currentThread().getName(),num));
Thread.sleep(100);
num ;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}).start();
}
}注意： tryLock() 如果获取成功就会锁住当前资源，不用再自己调用一遍lock了。tryLock是尝试获取锁，获取失败后立马返回不再等待。而tryLock还有个重载方法tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException，这个方法在指定时间内获取锁方法就能继续执行下去，在指定时间内未获取到锁方法会一直被阻塞，直到获取到锁获取超出时间，并且该方法是可被中断的。
获取公平锁
无参的构造器获取到的是非公平锁
代码语言：text复制public ReentrantLock() {
this.sync = new ReentrantLock.NonfairSync();
}
public ReentrantLock(boolean fair) {
this.sync = (ReentrantLock.Sync)(fair ? new ReentrantLock.FairSync() : new ReentrantLock.NonfairSync());
}如果想要获取公平锁可以使用有参构造器 new ReentrantLock(true)
ReadWriteLock之ReentrantReadWriteLock（读写锁）
这个锁将锁分成了读锁和写锁，多个线程读取数据的时候加读锁，如果其他线程是读取操作，那么它也是可以获取读锁而不用等锁释放的。写数据就加写锁，加写锁可以阻止其他线程进行读和写。
基础用法
代码语言：c#复制public class TestThread {
private static ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name "读锁进入");
readLock.lock();
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println(String.format("%s:执行完成", name));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
readLock.unlock();
}
}).start();
new Thread(() -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name "写锁进入");
writeLock.lock();
try {
System.out.println(String.format("%s:执行完成", name));
} finally {
writeLock.unlock();
}
}).start();
}
}
#结果
Thread-0读锁进入
Thread-1写锁进入
Thread-0:执行完成
Thread-1:执行完成说明在加了读锁的时候不能加写锁。
代码语言：c#复制public class TestThread {
private static ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name "读锁进入");
readLock.lock();
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println(String.format("%s:执行完成", name));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
readLock.unlock();
}
}).start();
new Thread(() -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name "第二个读锁进入");
readLock.lock();
try {
System.out.println(String.format("%s:执行完成", name));
}finally {
readLock.unlock();
}
}).start();
}
}
#结果
Thread-0读锁进入
Thread-1第二个读锁进入
Thread-1:执行完成
Thread-0:执行完成说明在加了读锁的情况下其他线程还是能获取读锁的。
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