Java并发（一）——锁的种类

其实如果按照名称来说，锁大概有以下名词：
自旋锁 ，自旋锁的其他种类，阻塞锁，可重入锁 ，读写锁 ，互斥锁 ，悲观锁 ，乐观锁 ，公平锁 ，偏向锁， 对象锁，线程锁，锁粗化， 锁消除，轻量级锁，重量级锁， 信号量，独享锁，共享锁，分段锁
###我们所说的锁的分类其实应该按照锁的特性和设计来划分
#概述
其实从并发的角度来讲，按照线程安全的三种策略看，主要内容都集中在互斥同步里，我们所讨论的锁也集中在这个部分。这个部分的锁都是悲观锁，第二个部分是非阻塞同步，这个部分也就一种通过CAS进行原子类操作，这个部分可以看成乐观锁，其实也就是不加锁。第三个部分是无同步方案，包括可重入代码和线程本地存储。

我们这里主要讨论的就是互斥同步这一部分。

常见的锁
Synchronized和Lock
其实我们真正用到的锁也就那么两三种，只不过依据设计方案和性质对其进行了大量的划分。

以下一个锁是原生语义上的实现：

Synchronized，它就是一个：非公平，悲观，独享，互斥，可重入的重量级锁
以下两个锁都在JUC包下，是API层面上的实现

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ReentrantLock，它是一个：默认非公平但可实现公平的，悲观，独享，互斥，可重入，重量级锁。

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ReentrantReadWriteLocK，它是一个，默认非公平但可实现公平的，悲观，写独享，读共享，读写，可重入，重量级锁。

ReentrantLock与synchronized 的区别

ReentrantLock的高级操作

中断等待

ReentrantLock 拥有Synchronized相同的并发性和内存语义，此外还多了 锁投票，定时锁等候和中断锁等候。

线程A和B都要获取对象O的锁定，假设A获取了对象O锁，B将等待A释放对O的锁定

• 如果使用 synchronized ，如果A不释放，B将一直等下去，不能被中断
• 如果 使用ReentrantLock，如果A不释放，可以使B在等待了足够长的时间以后，中断等待，而干别的事情
  ###ReentrantLock获取锁定有三种方式：

lock(), 如果获取了锁立即返回，如果别的线程持有锁，当前线程则一直处于休眠状态，直到获取锁

• tryLock(), 如果获取了锁立即返回true，如果别的线程正持有锁，立即返回false
• tryLock(long timeout,TimeUnit unit)， 如果获取了锁定立即返回true，如果别的线程正持有锁，会等待参数给定的时间，在等待的过程中，如果获取了锁定，就返回true，如果等待超时，返回false；
• lockInterruptibly:如果获取了锁定立即返回，如果没有获取锁定，当前线程处于休眠状态，直到获取锁定，或者当前线程被别的线程中断

可实现公平锁

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。

锁绑定多个条件

锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。

synchronized的优势

synchronized是在JVM层面上实现的，不但可以通过一些监控工具监控synchronized的锁定，而且在代码执行时出现异常，JVM会自动释放锁定，但是使用Lock则不行，lock是通过代码实现的，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中

应用场景

在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态；

按照其性质分类

公平锁/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。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。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。

乐观锁/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。从上面的描述我们可以看出，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，不加锁会带来大量的性能提升。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。

独享锁/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。对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReentrantReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读 ，写写的过程是互斥的。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。

互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现**。互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock，读写锁在Java中的具体实现就是ReentrantReadWriteLock**

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。说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。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Reentrant 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。

public sychrnozied void test() {
    xxxxxx;
    test2();
}

public sychronized void test2() {
    yyyyy;
}

在上面代码段中，执行 test 方法需要获得当前对象作为监视器的对象锁，但方法中又调用了 test2 的同步方法。

• 如果锁是具有可重入性的话，那么该线程在调用 test2 时并不需要再次获得当前对象的锁，可以直接进入 test2 方法进行操作。
• 如果锁是不具有可重入性的话，那么该线程在调用 test2 前会等待当前对象锁的释放，实际上该对象锁已被当前线程所持有，不可能再次获得。

如果锁是不具有可重入性特点的话，那么线程在调用同步方法、含有锁的方法时就会产生死锁。

按照设计方案来分类

自旋锁/自适应自旋锁
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。更多具体的细节见后续博客里对自旋锁的描述

锁粗化/锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，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。锁消除的主要判定依据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被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部

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。

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。

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。

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。

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。