1、乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念，体现了看待线程同步的不同角度。在Java和数据库中都有此概念对应的实际应用。

1.1 概念

• 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。

• 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。

1.2 Java中使用

• 悲观锁：Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。
• 乐观锁：Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

1.3 Mysql中使用

• 悲观锁：手动提交事务，select ... for update;
  要使用悲观锁，我们必须关闭mysql数据库的自动提交属性，因为MySQL默认使用autocommit模式，也就是说，当你执行一个更新操作后，MySQL会立刻将结果进行提交。

//我们可以使用命令设置MySQL为非autocommit模式：
set autocommit=0;
//设置完autocommit后，我们就可以执行我们的正常业务了。具体如下：
//0.开始事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就可以)
//1.查询出商品信息，锁定这行数据
select status from t_goods where id=1 for update;
//2.根据商品信息生成订单
insert into t_orders (id,goods_id) values (null,1);
//3.修改商品status为2
update t_goods set status=2;
//4.提交事务
commit;/commit work;

• 乐观锁：使用版本号
  update tablexxx set name=#name#,version=version+1 where id=#id# and version=#version

id字段要求是主键或者唯一索引，这样的话就是行锁，不然的话就是是锁表，会死人的

1.4 总结

悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

2、公平锁 VS 非公平锁

2.1 概念

• 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。

image.png

• 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。

image.png

2.2 Java中使用

对于Java ReetrantLock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。

3、可重入锁 VS 非可重入锁

3.1 概念

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。可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。

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。

3.2 Java中使用

ReentrantLock和synchronized都是重入锁

3.3 ReentrantLock实现原理

ReentrantLock继承父类AQS，其父类AQS中维护了一个同步状态state来计数重入次数，state初始值为0。

• 获取锁
  当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新state值，如果state== 0表示没有其他线程在执行同步代码，则把state置为1，当前线程开始执行。
  如果state!= 0，则判断当前线程是否是获取到这个锁的线程，如果是的话执行state+1，且当前线程可以再次获取锁。

• 释放锁
  释放锁时，可重入锁先获取当前state的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下，如果state-1 == 0，则表示当前线程所有重复获取锁的操作都已经执行完毕，然后该线程才会真正释放锁。

4、独享锁/排他锁/互斥锁 VS 共享锁/读写锁

独享锁和共享锁同样是一种概念。

4.1 概念

• 独享锁：独享锁也叫排他锁、互斥锁，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。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。

• 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。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

4.2 Java中使用

JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁；

JDK中的ReentrantReadWriteLock 是共享锁；

4.3 共享锁 ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock中有两把锁：ReadLock和WriteLock，由词知意，一个读锁一个写锁，合称“读写锁”。再进一步观察可以发现ReadLock和WriteLock是靠内部类Sync实现的锁。Sync是AQS的一个子类，这种结构在CountDownLatch、ReentrantLock、Semaphore里面也都存在。

在ReentrantReadWriteLock里面，读锁和写锁的锁主体都是Sync，但读锁和写锁的加锁方式不一样。读锁是共享锁，写锁是独享锁。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。

5、分段锁

5.1 概念

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和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来知道他要放在哪一个分段中，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。

5.2 Java中使用

ConcurrentHashMap

6、CAS

CAS（Compare and Swap 比较并交换）是乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其他线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

CAS操作中包含三个操作数——需要读写的内存位置（V）、进行比较的预期原值（A）和拟写入的新值（B）。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B，否则处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值（在CAS的一些特殊情况下将仅返回CAS是否成功，而不提取当前值）。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可”。这其实和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

CAS虽然很高效，但是它也存在三大问题，这里也简单说一下：

• ABA问题。CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。
  JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题，具体操作封装在compareAndSet()中。compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等，如果都相等，则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。

• 循环时间长开销大。CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。

• 只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。
  Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

7、 AQS

AbstractQueuedSynchronizer 抽象队列式的同步器，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，许多同步类实现都依赖于它，如常用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch…

image.png

AQS维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。

state的访问方式有三种：

 getState()
 setState()
 compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

不同的自定义同步器争用共享资源的方式也不同。自定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护（如获取资源失败入队/唤醒出队等），AQS已经在顶层实现好了。自定义同步器实现时主要实现以下几种方法：

• 1. isHeldExclusively():该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。
• 2. tryAquire(int):独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。
• 3. tryRelease(int):独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
• 4. tryAcquireShared(int):共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。
• 5. tryReleaseShared(int):共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

以ReentrantLock为例，state初始化为0，表示未锁定状态。A线程lock()时，会调用tryAcquire()独占该锁并将state+1。此后，其他线程再tryAcquire()时就会失败，直到A线程unlock()到state=0（即释放锁）为止，其他线程才有机会获取该锁。当然，释放锁之前，A线程自己是可以重复获取此锁的（state会累加），这就是可重入的概念。但要注意，获取多少次就要释放多少次，这样才能保证state是能回到零态的。

再以CountDownLatch为例，任务分为N个子线程去执行，state为初始化为N（注意N要与线程个数一致）。这N个子线程是并行执行的，每个子线程执行完后countDown()一次，state会CAS减1。等到所有子线程都执行完后（即state=0），会unpark()主调用线程，然后主调用线程就会await()函数返回，继续后余动作。

一般来说，自定义同步器要么是独占方式，要么是共享方式，他们也只需实现tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一种即可。但AQS也支持自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，如ReentrantReadWriteLock。

8、synchronized VS ReentrantLock

相同点：

• 1. 都是悲观锁
• 2. 默认都是非公平锁，但是ReentrantLock可以通过参数构造公平锁
• 3. 都是可重入锁

不同点：

• 1.synchronized是在JVM层面实现的，因此系统可以监控锁的释放与否；而ReentrantLock是使用代码实现的，系统无法自动释放锁，需要在代码中的finally子句中显式释放锁lock.unlock()。
• 2. 在并发量比较小的情况下，使用synchronized是个不错的选择；但是在并发量比较高的情况下，其性能下降会很严重，此时ReentrantLock是个不错的方案。
• 3. 在使用synchronized 代码块时,可以与wait()、notify()、nitifyAll()一起使用，从而进一步实现线程的通信。
     其中，wait()方法会释放占有的对象锁，当前线程进入等待池，释放cpu，而其他正在等待的线程即可抢占此锁，获得锁的线程即可运行程序；线程的sleep()方法则表示，当前线程会休眠一段时间，休眠期间，会暂时释放cpu，但并不释放对象锁，也就是说，在休眠期间，其他线程依然无法进入被同步保护的代码内部，当前线程休眠结束时，会重新获得cpu执行权,从而执行被同步保护的代码。
     wait()和sleep()最大的不同在于wait()会释放对象锁，而sleep()不会释放对象锁。
     notify()方法会唤醒因为调用对象的wait()而处于等待状态的线程，从而使得该线程有机会获取对象锁。调用notify()后，当前线程并不会立即释放锁，而是继续执行当前代码，直到synchronized中的代码全部执行完毕，才会释放对象锁。JVM会在等待的线程中调度一个线程去获得对象锁，执行代码。
     需要注意的是，wait()和notify()必须在synchronized代码块中调用。
     notifyAll()是唤醒所有等待的线程

参考：
https://www.cnblogs.com/hustzzl/p/9343797.html
https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html