什么是鎖

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，鎖(lock)或互斥(mutex)是一種同步機(jī)制，用于在有許多執(zhí)行線程的環(huán)境中強(qiáng)制對(duì)資源的訪問(wèn)限制。鎖旨在強(qiáng)制實(shí)施互斥排他、并發(fā)控制策略。
     鎖通常需要硬件支持才能有效實(shí)施。這種支持通常采取一個(gè)或多個(gè)原子指令的形式，如"test-and-set", "fetch-and-add" or "compare-and-swap"”。這些指令允許單個(gè)進(jìn)程測(cè)試鎖是否空閑，如果空閑，則通過(guò)單個(gè)原子操作獲取鎖。

公平鎖

• 定義：就是很公平，在并發(fā)環(huán)境中，每個(gè)線程在獲取鎖時(shí)會(huì)先查看此鎖維護(hù)的等待隊(duì)列，如果為空，或者當(dāng)前線程線程是等待隊(duì)列的第一個(gè)，就占有鎖，否則就會(huì)加入到等待隊(duì)列中，以后會(huì)按照FIFO的規(guī)則從隊(duì)列中取到自己。

• 優(yōu)點(diǎn)：所有的線程都能得到資源，不會(huì)餓死在隊(duì)列中。

• 缺點(diǎn)：吞吐量會(huì)下降很多，隊(duì)列里面除了第一個(gè)線程，其他的線程都會(huì)阻塞，cpu喚醒阻塞線程的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)很大。

• 公平鎖獲取鎖例子

 1 /**
 2     *     true 表示 ReentrantLock 的公平鎖
 3     */
 4    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 5
 6    public   void testFail(){
 7        try {
 8            lock.lock();
 9            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"獲得了鎖");
10        }finally {
11            lock.unlock();
12        }
13    }
14    public static void main(String[] args) {
15        FairLockTest fairLock = new FairLockTest();
16        Runnable runnable = () -> {
17           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"啟動(dòng)");
18            fairLock.testFail();
19        };
20        Thread[] threadArray = new Thread[10];
21        for (int i=0; i<10; i++) {
22            threadArray[i] = new Thread(runnable);
23        }
24        for (int i=0; i<10; i++) {
25            threadArray[i].start();
26        }
27    }

運(yùn)行結(jié)果

 1Thread-1啟動(dòng)
 2Thread-1獲得了鎖
 3Thread-3啟動(dòng)
 4Thread-3獲得了鎖
 5Thread-5啟動(dòng)
 6Thread-5獲得了鎖
 7Thread-2啟動(dòng)
 8Thread-2獲得了鎖
 9Thread-4啟動(dòng)
10Thread-4獲得了鎖
11Thread-6啟動(dòng)
12Thread-6獲得了鎖
13Thread-10啟動(dòng)
14Thread-8啟動(dòng)
15Thread-10獲得了鎖
16Thread-9啟動(dòng)
17Thread-7啟動(dòng)
18Thread-8獲得了鎖
19Thread-9獲得了鎖
20Thread-7獲得了鎖

看到結(jié)果里面獲得鎖的順序和線程啟動(dòng)順序是一致的，這就是公平鎖。

非公平鎖

• 定義：線程加鎖時(shí)直接嘗試獲取鎖，獲取不到就自動(dòng)到隊(duì)尾等待。

• 優(yōu)點(diǎn)：非公平鎖性能高于公平鎖性能，非公平鎖能更充分的利用cpu的時(shí)間片，盡量的減少cpu空閑的狀態(tài)時(shí)間。

• 缺點(diǎn)：可能導(dǎo)致隊(duì)列中間的線程一直獲取不到鎖或者長(zhǎng)時(shí)間獲取不到鎖，導(dǎo)致餓死。

• 非公平鎖列子：只需要將上面公平鎖的代碼改為new ReentrantLock(false);
  運(yùn)行結(jié)果

 1Thread-1啟動(dòng)
 2Thread-0啟動(dòng)
 3Thread-2啟動(dòng)
 4Thread-3啟動(dòng)
 5Thread-4啟動(dòng)
 6Thread-8啟動(dòng)
 7Thread-7啟動(dòng)
 8Thread-6啟動(dòng)
 9Thread-1獲得了鎖
10Thread-0獲得了鎖
11Thread-5啟動(dòng)
12Thread-5獲得了鎖
13Thread-2獲得了鎖
14Thread-3獲得了鎖
15Thread-4獲得了鎖
16Thread-8獲得了鎖
17Thread-7獲得了鎖
18Thread-6獲得了鎖
19Thread-9啟動(dòng)
20Thread-9獲得了鎖

線程啟動(dòng)順序是1、0、2、3、 4、 8 、7 、6 、5 、9，獲得鎖的順序卻是1 、0 、5 、2 、3 、4  、8 、7 、6 、9，這就是非公平鎖，它不保證先排隊(duì)嘗試去獲取鎖的線程一定能先拿到鎖。

重入鎖

• 定義：- 可重入鎖指的是可重復(fù)可遞歸調(diào)用的鎖，在外層使用鎖之后，在內(nèi)層仍然可以使用，并且不發(fā)生死鎖（前提得是同一個(gè)對(duì)象或者class），這樣的鎖就叫做可重入鎖。ReentrantLock和synchronized都是可重入鎖
  下面是一個(gè)synchronized重入鎖的列子：

 1public class ReentrantLockTest {
 2
 3
 4    public static void main(String[] args){
 5        for (int i = 0; i < 10; i++) {
 6           new Thread(() -> A()).start();
 7        }
 8    }
 9    public static   synchronized void  A(){
10        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
11        B();
12    }
13    public static synchronized void  B(){
14        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
15    }
16}

輸出：

1Thread-1
2Thread-1
3Thread-0
4Thread-0

A方法和B方法同時(shí)輸出了線程名稱(chēng)，表明即使遞歸使用synchronized也沒(méi)有發(fā)生死鎖，證明其是可重入的。

讀寫(xiě)鎖

百度百科定義的讀寫(xiě)鎖是：

讀寫(xiě)鎖實(shí)際是一種特殊的自旋鎖，它把對(duì)共享資源的訪問(wèn)者劃分成讀者和寫(xiě)者，讀者只對(duì)共享資源進(jìn)行讀訪問(wèn)，寫(xiě)者則需要對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)操作。

• 與傳統(tǒng)鎖不同的是讀寫(xiě)鎖的規(guī)則是可以共享讀，但只能一個(gè)寫(xiě)，總結(jié)起來(lái)為：讀讀不互斥，讀寫(xiě)互斥，寫(xiě)寫(xiě)互斥，而一般的獨(dú)占鎖是：讀讀互斥，讀寫(xiě)互斥，寫(xiě)寫(xiě)互斥，而場(chǎng)景中往往讀遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫(xiě)，讀寫(xiě)鎖就是為了這種優(yōu)化而創(chuàng)建出來(lái)的一種機(jī)制。注意是讀遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫(xiě)，一般情況下獨(dú)占鎖的效率低來(lái)源于高并發(fā)下對(duì)臨界區(qū)的激烈競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致線程上下文切換。因此當(dāng)并發(fā)不是很高的情況下，讀寫(xiě)鎖由于需要額外維護(hù)讀鎖的狀態(tài)，可能還不如獨(dú)占鎖的效率高。因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。

• Java里面ReentrantReadWriteLock讀寫(xiě)鎖特性
      公平選擇性： 支持非公平（默認(rèn)）和公平的鎖獲取方式，吞吐量還是非公平優(yōu)于公平。
      重進(jìn)入： 讀鎖和寫(xiě)鎖都支持線程重進(jìn)入。
      鎖降級(jí)： 鎖降級(jí)是指把持?。ó?dāng)前擁有的）寫(xiě)鎖，再獲取到讀鎖，隨后釋放（先前擁有的）寫(xiě)鎖的過(guò)程。

樂(lè)觀鎖、悲觀鎖

• 樂(lè)觀鎖：樂(lè)觀鎖總是認(rèn)為不存在并發(fā)問(wèn)題，每次去取數(shù)據(jù)的時(shí)候，總認(rèn)為不會(huì)有其他線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，因此不會(huì)上鎖。但是在更新時(shí)會(huì)判斷其他線程在這之前有沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，一般會(huì)使用“數(shù)據(jù)版本機(jī)制”或“CAS操作”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 悲觀鎖：　悲觀鎖認(rèn)為對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定會(huì)發(fā)生修改的，哪怕沒(méi)有修改，也會(huì)認(rèn)為修改。因此對(duì)于同一份數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認(rèn)為，不加鎖并發(fā)操作一定會(huì)出問(wèn)題。典型的數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún) for update。

• 在對(duì)任意記錄進(jìn)行修改前，先嘗試為該記錄加上排他鎖（exclusive locking）。

• 如果加鎖失敗，說(shuō)明該記錄正在被修改，那么當(dāng)前查詢(xún)可能要等待或者拋出異常。具體響應(yīng)方式由開(kāi)發(fā)者根據(jù)實(shí)際需要決定。

• 如果成功加鎖，那么就可以對(duì)記錄做修改，事務(wù)完成后就會(huì)解鎖了。期間如果有其他對(duì)該記錄做修改或加排他鎖的操作，都會(huì)等待我們解鎖或直接拋出異常。

分段鎖

分段鎖其實(shí)是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖，對(duì)jdk1.7 及以前的ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)分段鎖的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。分段鎖的設(shè)計(jì)目的是細(xì)化鎖的粒度，當(dāng)操作不需要更新整個(gè)數(shù)組的時(shí)候，就僅僅針對(duì)數(shù)組中的一項(xiàng)進(jìn)行加鎖操作。

自旋鎖

在Java中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會(huì)立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點(diǎn)是循環(huán)會(huì)消耗CPU。

偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖

　這三種鎖是指鎖的狀態(tài)，并且是針對(duì)Synchronized。在Java 5通過(guò)引入鎖升級(jí)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效Synchronized。這三種鎖的狀態(tài)是通過(guò)對(duì)象監(jiān)視器在對(duì)象頭中的字段來(lái)表明的。
　

• 偏向鎖：是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問(wèn)，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖。降低獲取鎖的代價(jià)。

• 輕量級(jí)鎖：是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過(guò)自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。

• 重量級(jí)鎖：是指當(dāng)鎖為輕量級(jí)鎖的時(shí)候，另一個(gè)線程雖然是自旋，但自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)自旋一定次數(shù)的時(shí)候，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞，該鎖膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖會(huì)讓他申請(qǐng)的線程進(jìn)入阻塞，性能降低。

獨(dú)享鎖、共享鎖

• 　獨(dú)享鎖是指該鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。

• 　共享鎖是指該鎖可被多個(gè)線程所持有。
  對(duì)于Java ReentrantLock而言，其是獨(dú)享鎖。但是對(duì)于Lock的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫(xiě)鎖是獨(dú)享鎖。　讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫(xiě)，寫(xiě)讀，寫(xiě)寫(xiě)的過(guò)程是互斥的。獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過(guò)AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。對(duì)于Synchronized而言，當(dāng)然是獨(dú)享鎖。

  參考文章
  https://blog.csdn.net/qiuwenjie123/article/details/79950532
  https://segmentfault.com/q/1010000009659039
  https://blog.csdn.net/qq_43519310/article/details/100107346
  https://blog.csdn.net/u010648018/article/details/79750608
  https://www.cnblogs.com/hustzzl/p/9343797.html
  http://ifeve.com/locks/
  http://ifeve.com/locks/