1.前言

Java中往往是按照是否含有某一特性来定义锁，我们通过特性将锁进行分组归类，再使用对比的方式进行介绍，帮助大家更快捷的理解相关知识。下面给出本文内容的总体分类目录:

image.png

2.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。
先说概念，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。
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。如果当前数据已被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作(列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。

image.png

根据从上面的概念描述我们可以发现：
1.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。
2.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。

// ------------------------- 悲观锁的调用方式 -------------------------
// synchronized
public synchronized void testMethod() {
    // 操作同步资源
}
// ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 需要保证多个线程使用的是同一个锁
public void modifyPublicResources() {
    lock.lock();
    // 操作同步资源
    lock.unlock();
}
 
// ------------------------- 乐观锁的调用方式 -------------------------
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 需要保证多个线程使用的是同一个AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //执行自增1

通过调用方式示列，我们可以发现悲观锁基本都是在显式的锁定之后再操作同步资源，而乐观锁则直接去操作同步资源。那么，为何乐观锁能够做到不锁定同步资源也可以正确的实现线程同步呢？我们通过介绍乐观锁的主要实现方式"CAS"的技术原理来为大家解惑。
CAS全称为"Compare And Swap" 比较交换，是一种无锁算法。在不适用锁(没有线程阻塞)的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现乐观锁。

image.png

CAS算法涉及到三个操作数：
1.需要读写的内存值V。
2.进行比较的值A。
3.要写入的新值B。
当且仅当V的值等于A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值("比较+更新" 整体是一个原子操作),否则不会执行任何操作。一般情况下，更新是一个不断重试的操作.
CAS虽然很高效，但是它也存在三大问题，也里也简单说一下:

1.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1，这样变化的过程从"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，如果相等，则以原子方式将引用值和标志值设置为给定的更新值。

2.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。

3.只能保证一个共享变量的原子操作。

对于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。

3.自旋锁VS适应性自旋锁

在介绍自旋锁前，我们需要介绍一些前提知识来帮助大家明白自旋锁的概念。
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"，我们需要让当前线程进行自旋，如果在自旋成功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。

image.png

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，但它要占用处理器事件。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)没有成功获得锁，就应答挂起线程。
自旋锁的实现原理同样也是CAS，AtomicInteger中调用unsafe进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改数值失败则通过循环来执行自旋，直至修改成功。
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。

4.无锁VS偏向锁VS轻量级锁VS重量级锁

这四种锁时指锁的状态，专门针对synchronzied的。在介绍这四种状态之前我们需要介绍一些额外的知识。
首先为什么Synchronized能实现线程同步?
在回答这个问题之前我们需要了解两个重要的概念:"Java对象头"，"Monitor"。
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。它会根据这些对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark World 里存储的数据会随着锁的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那个类的实例。

Monitor

Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描叙为一个对象。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。
现在话题回到synchronized，synchronized通过monitor来实现线程同步，monitor是依赖底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的线程同步。
如同我们在自旋锁中提到的"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JDK6之前synchronized效率低的原因。这种依赖操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为"重量级锁"，JDK6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中状态，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。
通过上面介绍，我们要对synchronized的加锁机制以及相关知识有了一个了解，那么下面我们给出四种锁状态对应的Mark Word内容，然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点：

image.png

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，锁总是由同一个线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在同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和释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要置换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JDK6及以后的JVM里是默认启用的。

轻量级锁

是指锁是偏向锁的时候，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。
若当前只有一个线程等待，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。
整体的锁状态升级流程如下：

image.png

综上，偏向锁通过对比Mark Word 解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁时通过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。

5.公平锁VS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。
非公平锁时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。但是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。
直接用语言描述可能有点抽象，这里作者从别处看到的一个例子来讲述一下公平锁和非公平锁。

image.png

如上图所示，假设有一口水井，有管理员看守，管理员有一把锁，只有拿到锁的人才能打水，打完水要把锁还给管理员。每个过来打水的人都要管理员的允许并拿到锁之后才能去打水，如果前面有人正在打水，那么这个想要打水的人就必须排队。管理员会查看下一个要去打水的人是不是队伍里排最前面的人，如果是的话，才会给你锁让你去打水；如果你不是排第一的人，就必须去队尾排队，这就是公平锁。
但是对于非公平锁，管理员对打水的人没要求。即使等待队伍里有排队等待的人，但如果在上一个人刚打完水把锁还给管理员而且管理员还没有允许等待队伍里下一个人去打水时，刚好来了一个插队的人，这个插队的人事可以直接从管理员那里拿到锁去打水，不需要排队，原本排队等待的人只能继续等待。如下图所示：

image.png

6.可重入锁VS非可重入锁

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(前提锁对象是同一个对象或者class)，不会因为之前已经获取过还没释而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个缺点是可一定程度避免死锁。下面用示列代码来进行分析:

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。因为内置锁时可重入的，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。
而为什么可重入锁就可以在嵌套调用时可以自动获得锁呢？我们通过图示和源码来分别解析一下。
还是打水的例子，有多个人在排队打水，此时管理员允许锁和同一个人的多个水桶绑定。这个人用多个水桶打水时，第一个水桶和锁绑定并打完水之后，第二个水桶也可以直接和锁绑定并开始打水，所有的水桶都打完之后打水人才会将锁还给管理员。这个人的所有打水流程都能够成功执行，后续等待的人也能够打到水。这就是可重入锁。

image.png

但如果是非可重入锁的话，此时管理员只允许锁和同一个人的一个水桶绑定。第一个水桶和锁绑定打完水之后并不会释放锁，导致第二个水桶不能喝锁绑定也无法打水。当前线程出现死锁，整个等待队列中的所有线程都无法被唤醒。

image.png
之前我们说过ReentrantLock和synchronized都是重入锁，那么我们通过重入锁ReentrantLock以及非可重入锁NonReentrantLock都继承父类AQS，其父类AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数，status初始值为0.
当线程尝试获取锁时，可重入锁先尝试获取并更新status值，如果status=0表示没有其他线程在执行同步代码，则把status置为1，当前线程开始执行。如果status！=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status+1，且当前线程可以再次获取锁。而非可重入锁时直接去获取并尝试更新当前status的值，如果status！=0的话会导致其获取锁失败，当前线程阻塞。
释放锁时，可重入锁同样先获取当前status的值，在当前线程是持有锁的线程的前提下。如果status-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。而非可重入锁则是在确定当前线程是持有锁的线程之后，直接将status置为0，将锁释放。
image.png

7.独享锁VS共享锁

独享锁和共享锁同样是一种概念。我们先介绍一下具体的概念，然后通过ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的源码来介绍独享锁和共享锁。

独享锁也叫排他锁，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。获得排它锁的线程既能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。

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。

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。

8.AQS框架原理

AQS(AbstractQueuedSynchronizer类)是一个用来构建锁和同步器的框架，各种Lock包中的锁(常用的有ReentrantLock,ReadWriteLock),以及其他如Semaphore,CountDownLatch都是基于AQS来构建。

1.AQS在内部定义了一个volatile int state变量，表示同步状态:当线程调用lock方法时，如果state=0，说明没有任何线程占有共享资源的锁，可以获得锁并将state=1；如果state=1.则说明有线程目前在使用共享变量，其他线程必须加入同步队列进行等待。
2.AQS通过Node内部类构成的一个双向链表结构的同步队列，来完成线程获取锁的排队工作，当有线程获取锁失败后，就会被添加到队列末尾。Node类是对要访问同步代码的线程的封装，包含了线程本身及其状态叫waitStatus(有五种不同取值，分别表示是否被阻塞，是否等待唤醒，是否已经被取消等)，每个Node结点关联其Prev结点和Next结点，方便线程释放锁后快速唤醒下一个在等待的线程，是一个FIFO的过程。Node类有两个常量，SHARED和EXCLUSIVE，分别代表共享模式和独占模式。所谓共享模式是一个锁允许多条线程同时操作(信号量Semaphore就是基于AQS的共享模式实现的)，独占模式是同一个时间段只能有一个线程对共享资源进行操作，多余的请求线程需要排队等待(如ReentrantLock)。
3.AQS通过内部类ConditionObject构建等待队列(可有多个)，当Condition调用wait()方法后，线程将会加入等待队列中，而当Condition调用signal()方法后，线程将从等待队列转移到同步队列中进行锁竞争
4.AQS和Condition各自为何了不同的队列，在使用Lock和Conditon的时候，其实就是两个队列的相互移动。