【多线程与高并发（锁）】1、锁的概念、分类和状态

1、锁的概念

java当中的锁、是在多线程环境下为保证共享资源健康、线程安全的一种手段。

线程操作某个共享资源之前，先对资源加一层锁，保证操作期间没有其他线程访问资源，当操作完成后，再释放锁。

2、锁的分类

Java中的锁按照不同的分类方式，大概可以分为如下几类：

以上都属于是一些锁的名称、属性。以Java来说，关于锁的大分类，就只有：悲观锁、乐观锁这两种。

• 乐观锁： 乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。
  java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

• 悲观锁：悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会block 直到拿到锁 Java 中的悲观锁就是Synchronized
  AQS 框架下的锁则是先尝试 cas 乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如 RetreenLock

• 自旋锁：

  • 原理： 自旋锁原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需自旋，等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
    线程自旋需消耗 cup的，如果一直获取不到锁，则线程长时间占用CPU自旋，需要设定一个自旋等待最大事件在最大等待时间内仍未获得锁就会停止自旋进入阻塞状态。
  • 优点：自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗（这些操作会导致线程发生两次上下文切换）
  • 缺点：锁竞争激烈或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu
    做无用功，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，其它需要 cup 的线程又不能获取到cpu，造成 cpu 的浪费

• Synchronized 同步锁：

  • synchronized 关键字，用于解决多个线程间访问资源同步性问题，保证其修饰的方法或代码块任意时刻只能有一个线程访问synchronized 它可以把任非NULL 的对象当作锁。他属于独占式悲观锁，同时属于可重入锁。
  • 作用范围：作用实例方法时。锁住的是对象的实例(this) ； 作用静态方法时，锁住的是该类，该 Class所有实例，又因为 Class的相关数据存储在永久带 PermGen(jdk1.8 则是 元空间)，永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程
  • synchronized实现： synchronized是根据JVM实现的，该关键字的优化也是在JVM层面实现 而未直接暴露
    JDK1.6后对锁做了大量优化如偏向锁，轻量锁，自旋锁，自适应锁等等
    …

3、锁的状态

锁主要有四种状态：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态，他们会随着锁竞争的激烈而逐渐升级且这种升级不可降，利用该策略提高获得锁和释放锁的效率

3.1 偏向锁

引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID 的时候依赖一次 CAS原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗)。
轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能，而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

3.2 轻量级锁(CAS+自旋锁)

CAS (Compare And Swap, 在进行比较后如果满足条件，就会交换内容)。
“轻量级” 是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。
轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。
轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

3.3 重量级锁(Mutex Lock)

这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁” Synchronized，是通过对象内部的做监视器锁(monitor)实现。监视器锁是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock来实现，而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用 户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，
这就是为什么Synchronized 效率低的原因

3.4 锁升级

随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁(但是锁的升级是单向的， 也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级)。