Java常见锁

Java中的锁分类

在读很多并发文章中，会提及各种各样锁如公平锁，乐观锁等等，这篇文章介绍各种锁的分类。介绍的内容如下：

1. 公平锁/非公平锁
2. 可重入锁
3. 独享锁/共享锁
4. 互斥锁/读写锁
5. 乐观锁/悲观锁
6. 分段锁
7. 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
8. 自旋锁
   上面是很多锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。

公平锁/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。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。
对于Java ReentrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。

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，在进入内层方法会自动获取锁。说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。
对于Java ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁，其名字是Re entrant Lock重新进入锁。
对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点，如果不是可重入锁的话，setB可能不会被当前线程执行，可能造成死锁。

独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。

对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。
读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读 ，写写的过程是互斥的。
独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
对于Synchronized而言，当然是独享锁。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。
互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock
读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

乐观锁/悲观锁

乐观锁与悲观锁不是指具体的什么类型的锁，而是指看待并发同步的角度。
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题。
乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，会采用尝试更新，不断重新的方式更新数据。乐观的认为，不加锁的并发操作是没有事情的。

从上面的描述我们可以看出，悲观锁适合写操作非常多的场景，乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。
悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁。
乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。

分段锁

分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。
我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。
当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。
但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。
分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
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。
轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，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，提高性能。
重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

锁升级
随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁(但是锁的升级是单向的， 也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级)。
原始的synchronized是直接使用重量级锁，才会导致性能很低，加入锁升级才使得synchronized性能获得很大提升。

synchronized最开始就是不管竞争激不激烈都使用重量级锁导致性能很低，但竞争激励时如果任由等待线程空转消耗跟大，所以竞争激励升级为重量级锁也是非常合理。

自旋锁

在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。
典型的自旋锁实现的例子，可以参考自旋锁的实现

Synchronized 同步锁

关键字，用于解决多个线程间访问资源同步性问题，保证其修饰的方法或代码块任意时刻只能有一个线程访问synchronized 它可以把任非NULL 的对象当作锁。他属于独占式悲观锁，同时属于可重入锁。

Synchronized作用范围
作用实例方法时。锁住的是对象的实例(this) ,作用静态方法时，锁住的是该类，该 Class所有实例，又因为 Class的相关数据存储在永久带 PermGen(jdk1.8 则是 元空间)，永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程.
线程A调用一个实例对象非静态Synchronized方法，允许线程B调用该实例对象所属类的静态s方法前者锁的是当前实例对象，后者锁的是当前类 作用于同步代码块 锁住的当前对象，进入同步代码块前需要获得对象的锁

Synchronized实现
Synchronized 是一个重量级操作，需要调用操作系统相关接口，性能是低效的，有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
Java1.6，synchronized 进行了很多的优化，有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等，效率有了本质上的提高。
在之后推出的 Java1.7 与 1.8中，均对该关键字的实现机理了优化。引入了偏向锁和轻量级锁，都是在对象头中有标记位，不需要经过操作系统加锁
主要有四种状态：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态，他们会随着锁竞争的激烈而逐渐升级且这种升级不可降，利用该策略提高获得锁和释放锁的效率
ReentrantLock
ReentantLock 继承接口Lock并实现了接口中定义的方法，他是一种可重入锁，除了能完成 synchronized所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

ReentrantLock 与 synchronized
ReentrantLock 与 synchronized 两者均为可重入锁
Synchronized依赖JVM而Reentrantlock依赖于APi（lock（），trylock（）配合try/finally语句块来实现）
ReentrantLock 通过方法 lock()与 unlock()来进行加锁与解锁操作， synchronized 会被 JVM自动解锁 ReentrantLock 加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况，使用 ReentrantLock 必须在 finally 控制块中进行解锁操作
ReentrantLock 相比 synchronized的优势是可中断、公平锁、可选择通知，多个锁，这种情况下需ReentrantLock。

同步锁与死锁
当多个线程同时访问同一个数据时，很容易出现问题。为了避免这种情况出现，我们要保证线程同步互斥，就是指并发执行的多个线程。在同一时间内只允许一个线程访问共享数据。 Java 中可以使用 synchronized 关键字来取得一个对象的同步锁。

死锁就是多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。

锁优化思路

1. 减少锁持有时间
   只用在有线程安全要求的程序上加锁
2. 减小锁粒度
   将大对象(这个对象可能会被很多线程访问)，拆成小对象，增加并行度，降低锁竞争，
   降低了锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提高，最最典型的减小锁粒度的案例就ConcurrentHashMap。
3. 锁分离
   最常见的锁分离就是读写锁
   ReadWriteLock，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提高了性能，读写分离思想可以延伸，只要操作互不影响，锁就可以分离，比如LinkedBlockingQueue 从头部取出，从尾部放数据
4. 锁粗化
   通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短（使用完公共资源后，应该立即释放锁）。
   如果对同一个锁不停的进行请求、同步和释放，其本身也会消耗系统宝贵的资源，反而不利于性能的优化所以可以锁粗化使得占有锁的时间加长