JAVA多线程·锁的相关概念和分类

参考文档：http://www.importnew.com/19472.html

公平锁和非公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的先后顺序来一次获得锁。

公平锁的好处是等待锁的线程不会饿死，但是整体效率相对低一些；非公平锁的好处是整体效率相对高一些，但是有些线程可能会饿死或者说很早就在等待锁，但要等很久才会获得锁。

自旋锁和阻塞锁

自旋锁：是指当线程获取锁失败的时候，去执行一个无意义的循环，循环结束后再重新去竞争锁，如果竞争不到则继续循环。整个过程中线程一直处于运行（running）状态。

阻塞锁：和自旋锁相对，指当线程获取锁失败时，线程进入阻塞（blocking）状态，当获取相应的信号时（唤醒，时间），进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。

自旋锁的出现原因：线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作。而且，很多对象锁的锁定状态只会持续很短的一段时间，例如整数的自加操作，在很短的时间内阻塞并唤醒线程显然不值得，为此引入了自旋锁。

适用情况：自旋等待不能代替阻塞。自旋等待本身虽然，但它是要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，自旋当代的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白浪费处理器资源。

可重入锁和不可重入锁

可重入锁：指的是同一线程外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。即获取锁的粒度是线程而不是调用。

不可重入锁：和可重入锁相反，指的是同一线程外层函数获得锁之后，不能再次获取该锁。

可重入锁最大的作用是避免死锁。

在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁。

类锁和对象锁

在Java程序运行时环境中，JVM需要对两类线程共享的数据进行协调：

1）保存在堆中的实例变量

2）保存在方法区中的类变量

为了实现监视器的排他性监视能力，java虚拟机为每一个对象和类都关联一个锁。代表任何时候只允许一个线程拥有的特权。线程访问实例变量或者类变量不需锁。

类锁实际上用对象锁来实现。当虚拟机装载一个class文件的时候，它就会创建一个java.lang.Class类的实例。当锁住一个对象的时候，实际上锁住的是那个类的Class对象。

事实上，synchronized修饰非静态方法、同步代码块的synchronized (this)用法和synchronized (非this对象)的用法锁的是对象，线程想要执行对应同步代码，需要获得对象锁。

synchronized修饰静态方法以及同步代码块的synchronized (类.class)用法锁的是类，线程想要执行对应同步代码，需要获得类锁。

悲观锁和乐观锁

悲观锁：假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。
乐观锁：假定不会发生并发冲突，只在提交操作时检测是否违反数据完整性。（使用版本号或者时间戳来配合实现）

共享锁和排它锁

共享锁：如果事务T对数据A加上共享锁后，则其他事务只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获准共享锁的事务只能读数据，不能修改数据。
排它锁：如果事务T对数据A加上排它锁后，则其他事务不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的事务即能读数据又能修改数据。

读写锁

读写锁是一个资源能够被多个读线程访问，或者被一个写线程访问但不能同时存在读线程。Java当中的读写锁通过ReentrantReadWriteLock实现。

互斥锁

所谓互斥锁就是指一次最多只能有一个线程持有的锁。在JDK中synchronized和JUC的Lock就是互斥锁。

偏向锁、轻量级锁和重量级锁

synchronized的锁可以分为偏向锁、轻量级锁以及重量级锁，通过Java对象头实现。

偏向锁是JDK6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。

偏向锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要同步。大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。

轻量级锁：线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，则自旋获取锁，当自旋获取锁仍然失败时，表示存在其他线程竞争锁(两条或两条以上的线程竞争同一个锁)，则轻量级锁会膨胀成重量级锁。

重量级锁：在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具备Mutex(0|1)互斥的功能，它还负责实现了Semaphore(信号量)的功能，也就是说它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。

整个synchronized锁流程如下：

1. 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
2. 如果不是，则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志位1
3. 如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，当前线程获得锁
5. 如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
6. 如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
7. 如果自旋失败，则升级为重量级锁。

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU	追求响应时间,锁占用时间很短
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量,锁占用时间较长

系统优化措施

锁消除

锁消除是虚拟机JIT在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据是来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而能被其他线程访问到，那就可以把他们当做栈上数据对待，认为他们是线程私有的，同步加锁自然就无需进行。

锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制的尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁禁止，那等待的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下，这些都是正确的。但是，如果一些列的联系操作都是同一个对象反复加上和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那么即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也导致不必要的性能损耗。虚拟机探测到有这样的情况的话，会把加锁同步的范围扩展到整个操作序列的外部，这样的一个锁范围扩展的操作就称之为锁粗化。