【锁】volatile、死锁、互斥锁、自旋锁、读写锁、乐观锁、悲观锁、常见的线程锁等重点知识汇总
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volatile
死锁
互斥锁与自旋锁
读写锁
乐观锁与悲观锁
公平锁和非公平锁
你知道哪几种线程锁
多线程锁
volatile
在多线程编程中，volatile关键字的作用是保证变量的可见性，即一个线程修改了一个volatile变量的值，其他线程可以立即看到这个变化。
volatile关键字的主要作用是告诉编译器不要对这个变量进行优化，不要从寄存器上读取，每次读取该变量时都是从内存中读取最新的值。
使用volatile关键字修饰变量有以下几个特点：
- 保证了变量的可见性，即一个线程修改了某个volatile变量的值，其他线程可以立即看到这个变化。
- 禁止指令重排序。编译器在编译程序时会对代码进行优化，但是volatile关键字可以禁止对被修饰的变量进行指令重排序。
指令重排序是指在程序执行过程中，为了提高性能，编译器和处理器会对指令进行重新排序。一般情况下，编译器和处理器会对指令进行优化，以提高代码、指令的执行效率。但是，这种优化可能会导致代码执行顺序与预期不一致，即出现指令重排。
- 不能保证原子性。虽然volatile关键字可以保证可见性，但是它并不能保证复合操作的原子性，还是需要通过其他方式来实现原子性操作。
需要注意的是，虽然volatile关键字可以保证可见性和禁止指令重排序，但是它并不能替代锁机制来实现线程安全。在使用volatile关键字时，仍然需要考虑线程安全问题，比如使用互斥锁等机制来保证多个线程对同一个volatile变量的访问不会发生冲突。
死锁
简单来说，死锁问题的产生是由两个或者以上线程并行执行的时候，争夺资源而互相等待造成的。
死锁必要条件
举个例子，小林拿了小美房间的钥匙，而小林在自己的房间里，小美拿了小林房间的钥匙，而小美也在自己的房间里。如果小林要从自己的房间里出去，必须拿到小美手中的钥匙，但是小美要出去，又必须拿到小林手中的钥匙，这就形成了死锁。
死锁只有同时满足以下四个条件才会发生：
- 互斥条件；
- 持有并等待条件；
- 不可剥夺条件；
- 环路等待条件；
1.互斥条件
互斥条件是指多个线程不能同时使用同一个资源。
比如下图，如果线程 A 已经持有的资源，不能再同时被线程 B 持有，如果线程 B 请求获取线程 A 已经占用的资源，那线程 B 只能等待，直到线程 A 释放了资源。
2.持有并等待条件
持有并等待条件是指，当线程 A 已经持有了资源 1，又想申请资源 2，而资源 2 已经被线程 B 持有了，所以线程 A 就会处于等待状态，但是线程 A 在等待资源 2 的同时并不会释放自己已经持有的资源 1。
3.不可剥夺条件
不可剥夺条件是指，当线程已经持有了资源 ，在自己使用完之前不能被其他线程获取，线程 B 如果也想使用此资源，则只能在线程 A 使用完并释放后才能获取。
4.环路等待条件
环路等待条件指的是，在死锁发生的时候，两个线程获取 资源的顺序构成了环形链。
比如，线程 A 已经持有资源 2，而想请求资源 1， 线程 B 已经获取了资源 1，而想请求资源 2，这就形成资源请求等待的环形图。
利用工具排查死锁问题
如果你想排查你的 Java 程序是否死锁，则可以使用 jstack 工具，它是 jdk 自带的线程堆栈分析工具。
由于小林的死锁代码例子是 C 写的，在 Linux 下，我们可以使用 pstack + gdb 工具来定位死锁问题。
pstack 命令可以显示每个线程的栈跟踪信息（函数调用过程），它的使用方式也很简单，只需要 pstack
那么，在定位死锁问题时，我们可以多次执行 pstack 命令查看线程的函数调用过程，多次对比结果，确认哪几个线程一直没有变化，且是因为在等待锁，那么大概率是由于死锁问题导致的。
避免死锁问题的发生
那么避免死锁问题就只需要破环其中的一个必要条件就可以，最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法，来破环环路等待条件。
那什么是资源有序分配法呢？
线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要一样，
当线程 A 是先尝试获取资源 1，然后尝试获取资源 2 的时候，
线程 B 同样也是先尝试获取资源 1，然后尝试获取资源 2。
也就是说，线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源，就可以打破死锁了。
互斥锁与自旋锁
二者区别
- 互斥锁加锁失败后，线程会释放 CPU ，给其他线程；
- 自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到它拿到锁；
互斥锁
互斥锁是一种「独占锁」，比如当线程 A 加锁成功后，此时互斥锁已经被线程 A 独占了，只要线程 A 没有释放手中的锁，线程 B 加锁就会失败，于是就会释放 CPU 让给其他线程，既然线程 B 释放掉了 CPU，自然线程 B 加锁的代码就会被阻塞。
互斥锁加锁失败时，会从用户态陷入到内核态，存在一定的性能开销成本。
互斥锁加锁失败时，会用「线程切换」来应对，当加锁失败的线程再次加锁成功后的这一过程，会有两次线程上下文切换的成本，性能损耗比较大。
自旋锁
自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数，在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。
一般加锁的过程，包含两个步骤：
- 第一步，查看锁的状态，如果锁是空闲的，则执行第二步；
- 第二步，将锁设置为当前线程持有；
CAS 函数就把这两个步骤合并成一条硬件级指令，形成原子指令，这样就保证了这两个步骤是不可分割的，要么一次性执行完两个步骤，要么两个步骤都不执行。
使用自旋锁的时候，当发生多线程竞争锁的情况，加锁失败的线程会「忙等待」，直到它拿到锁。这里的「忙等待」可以用 while 循环等待实现。
自旋锁开销少，在多核系统下一般不会主动产生线程切换。
读写锁
读写锁是一种并发控制机制，用于管理多个线程对共享资源的访问。与传统的互斥锁不同，读写锁分为读锁（共享锁）和写锁（互斥锁），它们提供了更细粒度的控制，以提高并发性和性能。
如果只读取共享资源用「读锁」加锁，如果要修改共享资源则用「写锁」加锁。
所以，读写锁适用于能明确区分读操作和写操作的场景。读操作不阻塞读操作
读写锁的工作原理是：
- 当「写锁」没有被线程持有时，多个线程能够并发地持有「读锁」，这提高了共享资源的访问效率，因为「读锁」是用于读取共享资源的场景，所以多个线程同时持有读锁也不会破坏共享资源的数据。
- 但是，一旦「写锁」被线程持有后，读线程的获取读锁的操作会被阻塞，而且其他写线程的获取写锁的操作也会被阻塞。
所以说，写锁是独占锁，因为任何时刻只能有一个线程持有写锁，类似互斥锁和自旋锁，
而读锁是共享锁，因为读锁可以被多个线程同时持有。
根据偏袒读方还是写方，可以分为读优先锁和写优先锁，读优先锁并发性很强，但是写线程会被饿死，而写优先锁会优先服务写线程，读线程也可能会被饿死，那为了避免饥饿的问题，于是就有了公平读写锁，它是用队列把请求锁的线程排队，并保证先入先出的原则来对线程加锁（就是保证了加锁的顺序），这样便保证了某种线程不会被饿死，通用性也更好点。
乐观锁与悲观锁
前面提到的互斥锁、自旋锁、读写锁，都是属于悲观锁。
悲观锁做事比较悲观，它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高，于是很容易出现冲突，所以访问共享资源前，先要上锁。
那相反的，如果多线程同时修改共享资源的概率比较低，就可以采用乐观锁。
乐观锁做事比较乐观，它假定冲突的概率很低，它的工作方式是：先修改完共享资源，再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有其他线程在修改资源，那么操作完成，如果发现有其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作。
可见，乐观锁的心态是，不管三七二十一，先改了资源再说。另外，你会发现乐观锁全程并没有加锁
乐观锁虽然去除了加锁解锁的操作，但是一旦发生冲突，重试的成本非常高，所以只有在冲突概率非常低，且加锁成本非常高的场景时，才考虑使用乐观锁。
公平锁和非公平锁
公平锁和非公平锁是针对锁的获取方式而言的。
公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，即先到先得的原则。当线程A释放锁后，线程B、C、D依次获取锁，如果此时线程E申请锁，则它需要等待B、C、D依次获取到锁并释放锁后才能获取锁。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序是随机的，不保证公平性。当线程A释放锁后，线程B、C、D等线程都可以通过竞争获取到锁，而此时线程E也可以通过竞争获取到锁。
在实际应用中，公平锁可以避免饥饿现象，但是由于需要维护线程队列，因此效率相对较低。而非公平锁由于不需要维护线程队列，因此效率相对较高，但是可能会导致某些线程长时间无法获取锁。
你知道哪几种线程锁
互斥锁：它用于保护共享资源，一次只允许一个线程访问资源。如果一个线程已经获得了互斥锁，其他线程必须等待锁被释放才能访问资源。
读写锁：读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入资源。这提高了读操作的并发性能，因为多个线程可以同时读取资源，但写操作需要排他性访问资源。
自旋锁：自旋锁是一种基于忙等待的锁，它不会将线程切换到休眠状态，而是让线程一直尝试获取锁，直到成功。自旋锁适用于对资源的竞争时间很短的情况，避免了线程切换的开销。
多线程锁
多线程锁是一种用来保护共享资源的机制。在多线程编程中，如果多个线程同时访问同一个共享资源，可能会发生竞态条件，导致程序的行为出现未定义的情况。为了避免这种情况的发生，可以使用多线程锁来保护共享资源。
多线程锁的基本思想是，在访问共享资源之前先获取锁，访问完成之后再释放锁。这样可以保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源，从而避免竞态条件的发生。
常见的多线程锁包括互斥锁、读写锁、条件变量等。其中，互斥锁用于保护共享资源的访问，读写锁用于在读多写少的情况下提高并发性能，条件变量用于线程之间的同步和通信。
条件变量是一种用于多线程编程的同步原语，用于实现线程之间的协调和通信。条件变量通常与互斥锁一起使用，以等待某个条件的发生并在条件满足时唤醒等待的线程。条件变量提供了一种高级的线程同步机制，用于解决特定类型的并发问题。
互斥锁：它用于保护共享资源，一次只允许一个线程访问资源。如果一个线程已经获得了互斥锁，其他线程必须等待锁被释放才能访问资源。
读写锁：读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入资源。这提高了读操作的并发性能，因为多个线程可以同时读取资源，但写操作需要排他性访问资源。
自旋锁：自旋锁是一种基于忙等待的锁，它不会将线程切换到休眠状态，而是让线程一直尝试获取锁，直到成功。自旋锁适用于对资源的竞争时间很短的情况，避免了线程切换的开销。