Java多線程 鎖
1、樂觀鎖與悲觀鎖
（1）悲觀鎖
對於同一個數據的併發操作，悲觀鎖認爲自己在使用數據的時候一定有別的線程來修改數據，因此在獲取數據的時候會先加鎖，確保數據不會被別的線程修改。Java中，synchronized關鍵字和Lock的實現類都是悲觀鎖。
（2）樂觀鎖
樂觀鎖認爲自己在使用數據時不會有別的線程修改數據，所以不會添加鎖，只是在更新數據的時候去判斷之前有沒有別的線程更新了這個數據。如果這個數據沒有被更新，當前線程將自己修改的數據成功寫入。如果數據已經被其他線程更新，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中是通過使用無鎖編程來實現，最常採用的是CAS算法，Java原子類中的遞增操作就通過CAS自旋實現的
CSA算法詳解以及他們的使用場景和優缺點：
上一篇博客：Java多線程 樂觀鎖、悲觀鎖、以及CAS算法
2、公平鎖與非公平鎖
（1）公平鎖
公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖，線程直接進入隊列中排隊，隊列中的第一個線程才能獲得鎖
優點：等待鎖的線程不會餓死
缺點：整體吞吐效率相對非公平鎖要低，等待隊列中除第一個線程以外的所有線程都會阻塞，CPU喚醒阻塞線程的開銷比非公平鎖大。
圖解：
（2）非公平鎖
非公平鎖是多個線程加鎖時直接嘗試獲取鎖，獲取不到纔會到等待隊列的隊尾等待。但如果此時鎖剛好可用，那麼這個線程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線程先獲取鎖的場景
優點：可以減少喚起線程的開銷，整體的吞吐效率高，因爲線程有機率不阻塞直接獲得鎖，CPU不必喚醒所有線程
缺點：處於等待隊列中的線程可能會餓死，或者等很久纔會獲得鎖
圖解：
3、可重入鎖與不可重入鎖
（1）可重入鎖
可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，再進入該線程的內層方法會自動獲取鎖（前提鎖對象得是同一個對象或者class），不會因爲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。
（2）是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，不能再進入該線程的內層方法會自動獲取鎖。如（非可重入鎖NonReentrantLock）。
ReentrantLock和NonReentrantLock的實現原理：
其父類AQS中維護了一個同步狀態status來計數重入次數，status初始值爲0。當線程嘗試獲取鎖時，可重入鎖先嚐試獲取並更新status值，如果status == 0表示沒有其他線程在執行同步代碼，則把status置爲1，當前線程開始執行。如果status != 0，則判斷當前線程是否是獲取到這個鎖的線程，如果是的話執行status+1，且當前線程可以再次獲取鎖。而非可重入鎖是直接去獲取並嘗試更新當前status的值，如果status != 0的話會導致其獲取鎖失敗，當前線程阻塞。
synchronized 實現是由jvm底層實現。
4、獨享鎖與共享鎖
（1）獨享鎖
獨享鎖也叫排他鎖，是指該鎖一次只能被一個線程所持有。如果線程T對數據A加上排它鎖後，則其他線程不能再對A加任何類型的鎖。獲得排它鎖的線程即能讀數據又能修改數據。JDK中的synchronized和JUC中Lock的實現類就是互斥鎖。（例如ReentrantReadWriteLock中的寫鎖）
（2）共享鎖
共享鎖是指該鎖可被多個線程所持有。如果線程T對數據A加上共享鎖後，則其他線程只能對A再加共享鎖，不能加排它鎖。獲得共享鎖的線程只能讀數據，不能修改數據。（例如ReentrantReadWriteLock中的讀鎖）
Java提供了一個基於AQS到讀寫鎖實現ReentrantReadWriteLock，該讀寫鎖到實現原理是：將同步變量state按照高16位和低16位進行拆分，高16位表示讀鎖，低16位表示寫鎖。
結構如下圖：
1、寫鎖是一個獨享鎖，所以我們看一下ReentrantReadWriteLock中tryAcquire(arg)的實現：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
setState(c + acquires);
return true;
}
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
獲取：
（1）獲取同步狀態，並從中分離出低16爲的寫鎖狀態
（2）如果同步狀態不爲0，說明存在讀鎖或寫鎖
（3）如果存在讀鎖（c ！=0 && w == 0），則不能獲取寫鎖（保證寫對讀的可見性）
（4）如果當前線程不是上次獲取寫鎖的線程，則不能獲取寫鎖（寫鎖爲獨佔鎖）
（5）如果以上判斷均通過，則在低16爲寫鎖同步狀態上利用CAS進行修改（增加寫鎖同步狀態，實現可重入）
（6）將當前線程設置爲寫鎖的獲取線程
釋放的過程與獨佔鎖基本相同。
2、讀鎖是一個共享鎖，獲取讀鎖的步驟如下：
（1）獲取當前同步狀態
（2）計算高16爲讀鎖狀態+1後的值
（3）如果大於能夠獲取到的讀鎖的最大值，則拋出異常
（4）如果存在寫鎖並且當前線程不是寫鎖的獲取者，則獲取讀鎖失敗
（5）如果上述判斷都通過，則利用CAS重新設置讀鎖的同步狀態
讀鎖的獲取步驟與寫鎖類似，即不斷的釋放寫鎖狀態，直到爲0時，表示沒有線程獲取讀鎖。
5、自旋鎖 VS 適應性自旋鎖
（1）自旋鎖
讓當前線程進行自旋，如果在自旋完成後前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼當前線程就可以不必阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖。
自旋鎖的實現原理同樣也是CAS，AtomicInteger中調用unsafe進行自增操作的源碼中的do-while循環就是一個自旋操作，如果修改數值失敗則通過循環來執行自旋，直至修改成功。
缺點：
它不能代替阻塞。自旋等待雖然避免了線程切換的開銷，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，那麼自旋的線程只會白浪費處理器資源。所以，自旋等待的時間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定次數（默認是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin來更改）沒有成功獲得鎖，就應當掛起線程。
（2）適應自旋鎖
自適應意味着自旋的時間（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。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，並且持有鎖的線程正在運行中，那麼虛擬機就會認爲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，直接阻塞線程，避免浪費處理器資源。
補充：在自旋鎖中 另有三種常見的鎖形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock，其中AQSde CLHlock在把線程封裝成節點後插入CLH後便在做自旋操作。
6、無鎖 、 偏向鎖、量級鎖 和 重量級鎖（難點）
前言：
我們在自旋鎖中提到的“阻塞或喚醒一個Java線程需要操作系統切換CPU狀態來完成，這種狀態轉換需要耗費處理器時間。如果同步代碼塊中的內容過於簡單，狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長”。這種方式就是synchronized最初實現同步的方式，這就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。這種依賴於操作系統Mutex Lock所實現的鎖我們稱之爲“重量級鎖”，JDK 6中爲了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”。
所以目前鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。鎖狀態只能升級不能降級。
四種鎖狀態對應的的Mark Word內容：
（1）無鎖
無鎖沒有對資源進行鎖定，所有的線程都能訪問並修改同一個資源，但同時只有一個線程能修改成功
CAS原理及應用即是無鎖的實現。無鎖無法全面代替有鎖，但無鎖在某些場合下的性能是非常高的。
（2）偏向鎖
偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那麼該線程會自動獲取鎖，降低獲取鎖的代價。
偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放鎖，線程不會主動釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有字節碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處於被鎖定狀態。撤銷偏向鎖後恢復到無鎖（標誌位爲“01”）或輕量級鎖（標誌位爲“00”）的狀態。
偏向鎖在JDK 6及以後的JVM裏是默認啓用的。可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，關閉之後程序默認會進入輕量級鎖狀態。
（3）輕量級鎖
是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會升級爲輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高性能。
若當前只有一個等待線程，則該線程通過自旋進行等待。但是當自旋超過一定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖升級爲重量級鎖。
（4）重量級鎖
升級爲重量級鎖時，鎖標誌的狀態值變爲“10”，此時Mark Word中存儲的是指向重量級鎖的指針，此時等待鎖的線程都會進入阻塞狀態。
