多线程（八）：常见锁策略
目录
前言
1. 乐观锁 VS 悲观锁
乐观锁
悲观锁
2. 轻量级锁 VS 重量级锁
轻量级锁
3. 自旋锁 VS 挂起等待锁
自旋锁
挂起等待锁
4. 读写锁 VS 互斥锁
5. 可重入锁 vs 不可重入锁
死锁
发生死锁的情况
死锁产生的四个必要条件如下：
6. 公平锁和非公平锁
公平锁
非公平所
synchronized (只考虑 JDK 1.8)
CAS
基于 CAS的操作：
1. 实现原子类
2. 实现自旋锁
前言
接下来讲解的锁策略不仅仅是局限于 Java . 任何和 "锁" 相关的话题, 都可能会涉及到以下内容. 这
些特性主要是给锁的实现者来参考的，我们普通程序员多了解了解锁，对使用也有很大的帮助。
下面我会使用很多插图来更好的了解。
接下来的插图皆来自于网络。
1. 乐观锁 VS 悲观锁
锁的实现者，预测接下来发生的冲突概率大不大？根据这个冲突的概率，由实现者来决定接下来该咋办：
乐观锁
乐观锁，顾名思义，乐观豁达；
我们假设数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候（读多写少），才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。
悲观锁
相比于乐观锁，悲观锁是一种非常悲观的思想，遇到事总是想到最坏的情况，认为写多读少，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁
2. 轻量级锁 VS 重量级锁
轻重量级区别在于效率，效率高那么就认为是轻量级，效率低那么就认为是重量级：
轻量级锁
这里的 CAS 操作，我们后面就会介绍到。
“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。
加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex
- 大量的内核态用户态切换
- 很容易引发线程的调度
这两个操作, 成本比较高. 一旦涉及到用户态和内核态的切换, 就意味着 "沧海桑田"
3. 自旋锁 VS 挂起等待锁
自旋锁
自旋锁是轻量级锁的一种具体表现；
这通常是用户态的，不经过内核态，所以消耗相对时间较短；
举个栗子
这是我们老师上课所举的：
他呢跟他女神表白，但是被女神发了好人卡（加锁失败），但是失败之后怎么办呢？
自旋锁：每天锲而不舍，向女神发早安晚安，终于有一天，女神和她男朋友分手了，这是机会就来了；第一时间就有机会枪到锁，然后加锁。
优点：一旦锁被释放，那么可以第一时间抢到锁。
缺点：但是每天围绕着女神转，啥也不干，那么就会造成资源的浪费（忙等，照成CPU 资源的浪费）。
挂起等待锁
还是拿上面的栗子：
一旦被拒绝，那么就不理女神了，潜心敲代码，学习；终于有一天，女神分手了，想起了他来，主动要求加锁；
挂起等待锁表示当获取锁失败之后，对应的线程就要在内核中挂起等待(放弃CPU,进入等待队列)，需要在锁被释放之后由操作系统唤醒；这是典型的重量级锁的栗子。
优点：减少了CPU 资源的浪费
缺点：不能第一时间抢到锁，什么时候能加锁，由系统决定
挂起等待锁与自旋锁的区别
- 最明显的区别就是，挂起等待锁开销比自旋锁要大，且挂起等待锁效率不如自旋锁。
- 挂起等待锁会放弃CPU资源，自旋锁不会放弃CPU资源，会一直等到锁释放为止。
- 自旋锁相较于挂起等待锁更能及时获取到刚释放的锁。
- 自旋锁相较于挂起等待锁的劣势就是当自旋的时间长了，会持续地销耗CPU资源，因此自旋锁也可以说是乐观锁。
针对上述三组策略，我们synchronized 属于哪种锁呢？
synchronized 即属于乐观锁又属于悲观锁，既是轻量级锁又是重量级锁，既是自旋锁又是挂起等待锁。
synchronized 会根据锁竞争的激烈程度，自己适应。
竞争激烈程度高，那么就是一个悲观锁，以重量级锁的状态运行。
竞争激烈程度低，那么就是一个乐观锁，以轻量级锁的状态运行。
4. 读写锁 VS 互斥锁
我们的synchronized 就是个典型的互斥锁；加锁就是单纯的加锁，没有更细的划分了
像synchronized 只有两步操作：
- 进入代码块，加锁
- 除了代码块，解锁
多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。
互斥锁用最简单的一句话来理解：某个资源只能被一个线程访问，读读，读写，写读，写写都是一样的。
下图也很好的演示了读写锁和互斥锁的特性：
读写锁是通过ReentrantReadWriteLock这个类来实现，在JAVA里面，为了提高性能而提供了这么个东西，读的地方用读锁，写的地方用写锁，读锁并不互斥，读写互斥，这部分直接由JVM进行控制。
来看代码（不要求会，下次需要用直接查）：
// 创建一个读写锁
private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 获取读锁
rwLock.readLock().lock();
// 释放读锁
rwLock.readLock().unlock();
// 创建一个写锁
rwLock.writeLock().lock();
// 写锁 释放
rwLock.writeLock().unlock();5. 可重入锁 vs 不可重入锁
可重入锁（递归锁），指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码；但不受影响 在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁
举个不恰当的栗子：
滑稽老铁在上厕所，突然时空错乱，滑稽老铁跑到外面来了，但是厕所门还是锁着的，这就是不可重入锁也叫做死锁。如果还是可以进去那么就是可重入锁。
什么叫死锁？
死锁
就是多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。
我们来写个伪代码：
Object locker = new Object();
sychronized(loker) {
......//中途有很多代码
......
sychronized(loker) {
}
}那么此时，我们就发生了死锁
我们要想进入第二个锁那么就需要先第一个锁释放；
我们要想进入第一个锁那么就需要先第二个锁释放。
逻辑上矛盾了 --> 死锁。
发生死锁的情况
1. 一个线程一把锁，例如上述的情况；可重入锁没事，但不可重入锁会死锁
2. 两个线程两把锁，即使可冲突也可以发生死锁的情况。例如：
死锁产生的四个必要条件如下：
- 互斥条件：一个资源同一时间能且只能被一个线程访问；
- 不可掠夺：当资源被一个线程占用时，其他线程不可抢夺该资源；
- 请求与等待：当资源被一个线程占用时，其他线程只能等待资源的释放再拥有；
- 指的是若干线程形成头尾相接的情况，将所有资源都占用导致的整体死锁或局部死锁。
既然了解了死锁的必要条件，那么我们只要破坏其中一个条件则可避免产生死锁。
通常我们在业务中，可以设置等待时间。例如尝试占用资源时，设置等待时间，时间内未获得资源，则放弃尝试，避免程序长时间等待，占用过高的CPU资源。
尽量一次只占用一个资源，不要一次嵌套的占用多个资源，占用资源链越长，越容易产生死锁问题。
6. 公平锁和非公平锁
我们认为在我们追求女神的时候，每个追求者都有相同的概率追求到，我们认为这样的叫做公平锁；女神有偏爱，可能会对某个追求者有好感，我们认为是非公平锁。
但是在计算机看来刚刚相反，先到先得才是公平锁，等概率事件才是非公平锁。
公平锁
我们来看看图：
公平锁是一种设计思想，多线程在进行数据请求的过程中，先去队列中申请锁，按照FIFO先进先出的原则拿到线程，然后占有锁。
非公平所
既然有公平锁，那就有非公平锁，也是一种设计思想。线程尝试获取锁，如果获取不到，这时候采用公平锁的方式进行，与此同时，多个线程获取锁的顺序有一定的随机性，并非按照先到先得的方式进行。
优点：性能上高于公平锁
缺点：存在线程饥饿问题，存在某一个线程一直获取不到锁导致一直等待，“饿死了”
synchronized (只考虑 JDK 1.8)
- 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
- 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.
- 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
- 是一种不公平锁
- 是一种可重入锁
- 不是读写锁
CAS
什么是CAS ，CAS 全称叫做 compare and swap （比较与交换）
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。
1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3. 返回操作是否成功
下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解
CAS 的工作流程.
寄存器A 的值与 内存地址中的值相比，如果相等，就将寄存器B 的值与内存地址中的值进行交换。
CAS 是一个原子的硬件指令，仅靠硬件支持，并非是段代码，那么这就打开了新世界的大门，我们可以 不需要通过多线程也可以保证线程安全问题。
基于 CAS的操作：
1. 实现原子类
还记得我们最开始将多线程的案例吗？
两个线程各自增加 5W 次，结果是小于 10W的。
我们来看看通过CAS操作，如何实习：
代码：
结果：
线程是安全的。
我们内置了一个 AtomicInteger 这个原子类，这个类保证了 ++ 和 -- 的线程安全。
我们来看看getAndInteger 方法：
- 如果发现 value 值和 oldValue 值相等，那么就将 oldValue +1 赋给 value，那么就相当于 ++ 了一次；返回 true。
- 反之，如果 value 值和 oldValue 值不相等，那么返回 false ，继续循环。
在多线程的案例下，是可能发生 上述两种情况的；但是我们 CAS 反复观察它的值是否发生了变化，没变化就自增，没变化过就先更新在自增。
我们之前的案例为什么 线程不安全呢？就是 一个线程无法及时感应到 另一个线程的变化！
2. 实现自旋锁
来看代码：
如果我们现在的 owner 为 null 那么就将 当前的引用设置到 owner 中，完成加锁操作。
否则，owner 不为 null ，那么就飞快地进行循环，反复的询问，锁是否被释放，一旦被释放了，那么就将第一时间拿到这个锁。
好处就是能第一时间拿到锁；
坏处就是消耗CPU 资源忙等；
我们一般是在乐观锁的情况下使用；此时锁竞争程度不激烈。
还有一个经典的面试题：
ABA 问题：
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有一个共享变量 num, 初始值为 A.
接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要
1. 先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.
2. 使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z.
但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A
给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期.
CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号.
真正修改的时候：
- 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1.
- 如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了).