锁简介

1、什么是锁？

​ 在计算机科学中，锁(lock)或互斥(mutex)是一种同步机制，用于在有许多执行线程的环境中强制对资源的访问限制。锁旨在强制实施互斥排他、并发控制策略。

​ 锁通常需要硬件支持才能有效实施。这种支持通常采取一个或多个原子指令的形式，如”test-and-set”, “fetch-and-add” or “compare-and-swap””。这些指令允许单个进程测试锁是否空闲，如果空闲，则通过单个原子操作获取锁。

​ 锁中常见的三种概念：

1. ​ 锁开销 lock overhead 锁占用内存空间、 CPU初始化和销毁锁、获取和释放锁的时间。程序使用的锁越多，相应的锁开销越大。
2. ​ 锁竞争 lock contention 一个进程或线程试图获取另一个进程或线程持有的锁，就会发生锁竞争。锁粒度越小，发生锁竞争的可能性就越小。
3. ​ 死锁 deadlock 至少两个任务中的每一个都等待另一个任务持有的锁的情况。

2、JAVA中锁的种类有哪些？

• 公平锁/非公平锁
• 可重入锁
• 独享锁/共享锁
• 互斥锁/读写锁
• 乐观锁/悲观锁
• 分段锁
• 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
• 自旋锁

2.1、公平锁和非公平锁

​ 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。 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。

AQS: AQS是AbstractQueuedSynchronizer的简称。AQS提供了一种实现阻塞锁和一系列依赖FIFO等待队列的同步器的框架，如下图所示。AQS为一系列同步器依赖于一个单独的原子变量（state）的同步器提供了一个非常有用的基础。子类们必须定义改变state变量的protected方法，这些方法定义了state是如何被获取或释放的。鉴于此，本类中的其他方法执行所有的排队和阻塞机制。子类也可以维护其他的state变量，但是为了保证同步，必须原子地操作这些变量。

2.2、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。 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。

2.3、独享锁和共享锁

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。

在JAVA中， ReentrantLock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。 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。

2.4、互斥锁和读写锁

互斥锁其实就是独享所，线程占据不允许其他线程再使用。

读写锁就是读读共享，写写互斥，读写互斥。

在JAVA中的具体实现就是，ReentrantLock就是互斥锁，ReadWriteLock 就是读写锁。

2.5、乐观锁和悲观锁

​ 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。

​ 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。

​ 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。

CAS： CAS的全称是Compare And Swap 即比较和交换，满足期望则进入，否则直接告知失败，不会出现等待情况，无锁则不会死锁，但是最显著的问题就是ABA（或者ATOA），无法感知A经过一系列变化又回到A的这个过程。

2.6、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。

2.7、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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。

2.8、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。