java - 鎖的種類及詳解

#鎖類型鎖根據其特性可以劃分出各類各樣的鎖類型，該文主要介紹如下鎖的做用及特性html

樂觀鎖/悲觀鎖
獨享鎖/共享鎖
互斥鎖/讀寫鎖
可重入鎖
公平鎖/非公平鎖
分段鎖
偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖
自旋鎖

##樂觀鎖/悲觀鎖樂觀鎖與悲觀鎖並非特指某兩種類型的鎖，是人們定義出來的概念或思想，主要是指看待併發同步的角度。java

樂觀鎖：顧名思義，就是很樂觀，每次去拿數據的時候都認爲別人不會修改，因此不會上鎖，可是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數據，可使用版本號等機制。樂觀鎖適用於多讀的應用類型，這樣能夠提升吞吐量，在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實現方式CAS(Compare and Swap 比較並交換，屬於計算機底層的CPU原子操做)實現的。算法

悲觀鎖：老是假設最壞的狀況，每次去拿數據的時候都認爲別人會修改，因此每次在拿數據的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數據就會阻塞直到它拿到鎖。好比Java裏面的同步原語synchronized關鍵字的實現就是悲觀鎖。編程

悲觀鎖適合寫操做很是多的場景，樂觀鎖適合讀操做很是多的場景，不加鎖會帶來大量的性能提高。數組

樂觀鎖在Java中的使用，是無鎖編程，經常採用的是CAS算法，典型的例子就是java.util.concurrent.atomic包下的原子類，經過CAS自旋實現原子操做的更新。多線程

悲觀鎖在Java中的體現主要有Synchronized關鍵字和ReentrantLock類。併發

##獨享鎖/共享鎖框架

獨享鎖是指該鎖一次只能被一個線程所持有。函數

共享鎖是指該鎖可被多個線程所持有。性能

對於Java ReentrantLock而言，其是獨享鎖。可是對於Lock的另外一個實現類ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫鎖是獨享鎖。

讀鎖的共享鎖可保證併發讀是很是高效的，讀寫，寫讀，寫寫的過程是互斥的。

獨享鎖與共享鎖也是經過AQS（AbstractQuenedSynchronizer抽象的隊列式同步器）來實現的，經過實現不一樣的方法，來實現獨享或者共享。

對於Synchronized而言，固然是獨享鎖。

##互斥鎖/讀寫鎖

上面講的獨享鎖/共享鎖就是一種廣義的說法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實現。

互斥鎖在Java中的具體實現就是ReentrantLock。

讀寫鎖在Java中的具體實現就是ReadWriteLock。

##可重入鎖可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個線程在外層方法獲取鎖的時候，在進入內層方法會自動獲取鎖。說的有點抽象，下面會有一個代碼的示例。

對於Java ReetrantLock而言，從名字就能夠看出是一個重入鎖，其名字是Re entrant Lock 從新進入鎖。

對於Synchronized而言，也是一個可重入鎖。可重入鎖的一個好處是可必定程度避免死鎖。

synchronized void setA() throws Exception{
 　　Thread.sleep(1000);
 　　setB();
 }
 
 synchronized void setB() throws Exception{
 　　Thread.sleep(1000);
 }

##公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。

非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序並非按照申請鎖的順序，有可能後申請的線程比先申請的線程優先獲取鎖。有可能，會形成優先級反轉或者飢餓現象。

對於Java ReetrantLock而言，經過構造函數指定該鎖是不是公平鎖，默認是非公平鎖。非公平鎖的優勢在於吞吐量比公平鎖大。

對於Synchronized而言，也是一種非公平鎖。因爲其並不像ReentrantLock是經過AQS的來實現線程調度，因此並無任何辦法使其變成公平鎖。

##分段鎖

分段鎖實際上是一種鎖的設計，並非具體的一種鎖，對於ConcurrentHashMap而言，其併發的實現就是經過分段鎖的形式來實現高效的併發操做。

咱們以ConcurrentHashMap來講一下分段鎖的含義以及設計思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱爲Segment，它即相似於HashMap（JDK7和JDK8中HashMap的實現）的結構，即內部擁有一個Entry數組，數組中的每一個元素又是一個鏈表；同時又是一個ReentrantLock（Segment繼承了ReentrantLock）。

當須要put元素的時候，並非對整個hashmap進行加鎖，而是先經過hashcode來知道他要放在哪個分段中，而後對這個分段進行加鎖，因此當多線程put的時候，只要不是放在一個分段中，就實現了真正的並行的插入。

可是，在統計size的時候，可就是獲取hashmap全局信息的時候，就須要獲取全部的分段鎖才能統計。

分段鎖的設計目的是細化鎖的粒度，當操做不須要更新整個數組的時候，就僅僅針對數組中的一項進行加鎖操做。

##偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

這三種鎖是指鎖的狀態，而且是針對Synchronized。在Java 5經過引入鎖升級的機制來實現高效Synchronized。這三種鎖的狀態是經過對象監視器在對象頭中的字段來代表的。

偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那麼該線程會自動獲取鎖。下降獲取鎖的代價。鎖一直只被一個線程持有，沒有發生鎖競爭

輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外一個線程所訪問，偏向鎖就會升級爲輕量級鎖，其餘線程會經過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提升性能。

重量級鎖是指當鎖爲輕量級鎖的時候，另外一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續下去，當自旋必定次數的時候，尚未獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹爲重量級鎖。重量級鎖會讓他申請的線程進入阻塞，性能下降。

##自旋鎖

在Java中，自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會當即阻塞，而是採用循環的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減小線程上下文切換的消耗，缺點是循環會消耗CPU。

#AQS AbstractQueuedSynchronized 抽象隊列式的同步器，AQS定義了一套多線程訪問共享資源的同步器框架，許多同步類實現都依賴於它，如經常使用的ReentrantLock/Semaphore/CountDownLatch…

AQS維護了一個volatile int state(表明共享資源)和一個FIFO線程等待隊列（多線程爭用資源被阻塞時會進入此隊列）。

state的訪問方式有三種：

getState()
setState()
compareAndSetState()

AQS定義兩種資源共享方式：Exclusive（獨佔，只有一個線程能執行，如ReentrantLock）和Share（共享，多個線程可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch）。

不一樣的自定義同步器爭用共享資源的方式也不一樣。自定義同步器在實現時只須要實現共享資源state的獲取與釋放方式便可，至於具體線程等待隊列的維護（如獲取資源失敗入隊/喚醒出隊等），AQS已經在頂層實現好了。自定義同步器實現時主要實現如下幾種方法：

isHeldExclusively():該線程是否正在獨佔資源。只有用到condition才須要去實現它。
tryAquire(int):獨佔方式。嘗試獲取資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryRelease(int):獨佔方式。嘗試釋放資源，成功則返回true，失敗則返回false。
tryAcquireShared(int):共享方式。嘗試獲取資源。負數表示失敗；0表示成功，但沒有剩餘可用資源；正數表示成功，且有剩餘資源。
tryReleaseShared(int):共享方式。嘗試釋放資源，若是釋放後容許喚醒後續等待結點返回true，不然返回false。

以ReentrantLock爲例，state初始化爲0，表示未鎖定狀態。A線程lock()時，會調用tryAcquire()獨佔該鎖並將state+1。此後，其餘線程再tryAcquire()時就會失敗，直到A線程unlock()到state=0（即釋放鎖）爲止，其餘線程纔有機會獲取該鎖。固然，釋放鎖以前，A線程本身是能夠重複獲取此鎖的（state會累加），這就是可重入的概念。但要注意，獲取多少次就要釋放多少次，這樣才能保證state是能回到零態的。

再以CountDownLatch爲例，任務分爲N個子線程去執行，state爲初始化爲N（注意N要與線程個數一致）。這N個子線程是並行執行的，每一個子線程執行完後countDown()一次，state會CAS減1。等到全部子線程都執行完後（即state=0），會unpark()主調用線程，而後主調用線程就會await()函數返回，繼續後餘動做。

通常來講，自定義同步器要麼是獨佔方法，要麼是共享方式，他們也只需實現tryAcquire-tryRelease、tryAcquireShared-tryReleaseShared中的一種便可。但AQS也支持自定義同步器同時實現獨佔和共享兩種方式，如ReentrantReadWriteLock。

#CAS

https://www.cnblogs.com/cjunn/p/12231383.html