锁

by 夏泽民 Feb 27, 2019

悲观锁
总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，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（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

乐观锁
总是假设最好的情况，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，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

两种锁的使用场景
从上面对两种锁的介绍，我们知道两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景），即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

乐观锁常见的两种实现方式
乐观锁一般会使用版本号机制或CAS算法实现。

版本号机制
一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version值会加一。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取version值，在提交更新时，若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

举一个简单的例子：
假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。

操作员 A 此时将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 50（50（100-$50 ）。
在操作员 A 操作的过程中，操作员B 也读入此用户信息（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 20（20（100-$20 ）。
操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号加一（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本大于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
操作员 B 完成了操作，也将版本号加一（ version=2 ）试图向数据库提交数据（ balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。
这样，就避免了操作员 B 用基于 version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作员A 的操作结果的可能。

CAS算法
即compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三个操作数

需要读写的内存值 V
进行比较的值 A
拟写入的新值 B
当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

乐观锁的缺点
ABA 问题是乐观锁一个常见的问题

1 ABA 问题
如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 “ABA”问题。

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就提供了此种能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2 循环时间长开销大
自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3 只能保证一个共享变量的原子操作
CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

CAS与synchronized的使用情景
简单的来说CAS适用于写比较少的情况下（多读场景，冲突一般较少），synchronized适用于写比较多的情况下（多写场景，冲突一般较多）

对于资源竞争较少（线程冲突较轻）的情况，使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源；而CAS基于硬件实现，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能。
对于资源竞争严重（线程冲突严重）的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。
补充： Java并发编程这个领域中synchronized关键字一直都是元老级的角色，很久之前很多人都会称它为 “重量级锁” 。但是，在JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁以及其它各种优化之后变得在某些情况下并不是那么重了。synchronized的底层实现主要依靠 Lock-Free 的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下，可以获得和CAS类似的性能；而线程冲突严重的情况下，性能远高于CAS。

自旋锁、阻塞锁、可重入锁、悲观锁、乐观锁、读写锁、偏向所、轻量级锁、重量级锁、锁膨胀、对象锁和类锁
1、自旋锁
自旋锁可以使线程在没有取得锁的时候，不被挂起，而转去执行一个空循环，（即所谓的自旋，就是自己执行空循环），若在若干个空循环后，线程如果可以获得锁，则继续执行。若线程依然不能获得锁，才会被挂起。
使用自旋锁后，线程被挂起的几率相对减少，线程执行的连贯性相对加强。因此，对于那些锁竞争不是很激烈，锁占用时间很短的并发线程，具有一定的积极意义，但对于锁竞争激烈，单线程锁占用很长时间的并发程序，自旋锁在自旋等待后，往往毅然无法获得对应的锁，不仅仅白白浪费了CPU时间，最终还是免不了被挂起的操作，反而浪费了系统的资源。
在JDK1.6中，Java虚拟机提供-XX:+UseSpinning参数来开启自旋锁，使用-XX:PreBlockSpin参数来设置自旋锁等待的次数。
在JDK1.7开始，自旋锁的参数被取消，虚拟机不再支持由用户配置自旋锁，自旋锁总是会执行，自旋锁次数也由虚拟机自动调整。

可能引起的问题：
1.过多占据CPU时间：如果锁的当前持有者长时间不释放该锁，那么等待者将长时间的占据cpu时间片，导致CPU资源的浪费，因此可以设定一个时间，当锁持有者超过这个时间不释放锁时，等待者会放弃CPU时间片阻塞；
2.死锁问题：试想一下，有一个线程连续两次试图获得自旋锁（比如在递归程序中），第一次这个线程获得了该锁，当第二次试图加锁的时候，检测到锁已被占用（其实是被自己占用），那么这时，线程会一直等待自己释放该锁，而不能继续执行，这样就引起了死锁。因此递归程序使用自旋锁应该遵循以下原则：递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。

2、阻塞锁
让线程进入阻塞状态进行等待，当获得相应的信号（唤醒，时间）时，才可以进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。。
JAVA中，能够进入\退出、阻塞状态或包含阻塞锁的方法有，synchronized 关键字（其中的重量锁），ReentrantLock，Object.wait()\notify()

3、可重入锁
可重入锁，也叫做递归锁，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
下面是使用实例
public class Test implements Runnable{

public synchronized void get(){

	System.out.println(Thread.currentThread().getId());

	set();

}

public synchronized void set(){

	System.out.println(Thread.currentThread().getId());

}

@Override

public void run() {

	get();

}

public static void main(String[] args) {

	Test ss=new Test();

	new Thread(ss).start();

	new Thread(ss).start();

	new Thread(ss).start();

} }

public class Test implements Runnable {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void get() {

	lock.lock();

	System.out.println(Thread.currentThread().getId());

	set();

	lock.unlock();

}

public void set() {

	lock.lock();

	System.out.println(Thread.currentThread().getId());

	lock.unlock();

}

@Override

public void run() {

	get();

}

public static void main(String[] args) {

	Test ss = new Test();

	new Thread(ss).start();

	new Thread(ss).start();

	new Thread(ss).start();

} }

两个例子最后的结果都是正确的，即同一个线程id被连续输出两次。
结果如下：
Threadid: 8
Threadid: 8
Threadid: 10
Threadid: 10
Threadid: 9
Threadid: 9
可重入锁最大的作用是避免死锁
我们以自旋锁作为例子，
public class SpinLock {
private AtomicReference owner =new AtomicReference<>();
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
while(!owner.compareAndSet(null, current)){
}
}
public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
owner.compareAndSet(current, null);
}
}

对于自旋锁来说，
1、若有同一线程两调用lock() ，会导致第二次调用lock位置进行自旋，产生了死锁
说明这个锁并不是可重入的。（在lock函数内，应验证线程是否为已经获得锁的线程）
2、若1问题已经解决，当unlock（）第一次调用时，就已经将锁释放了。实际上不应释放锁。
（采用计数次进行统计）
修改之后，如下：
public class SpinLock1 {
private AtomicReference owner =new AtomicReference<>();
private int count =0;
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
if(current==owner.get()) {
count++;
return ;
}
while(!owner.compareAndSet(null, current)){
}
}
public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
if(current==owner.get()){
if(count!=0){
count--;
}else{
owner.compareAndSet(current, null);
}
}
}
}

该自旋锁即为可重入锁。

4 悲观锁和乐观锁
悲观锁(Pessimistic Lock), 顾名思义就是很悲观，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，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block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。独占锁是悲观锁的一种实现

乐观锁(Optimistic Lock), 顾名思义，就是很乐观，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，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。使用CAS来保证,保证这个操作的原子性

两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下，即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果经常产生冲突，上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

参考：http://www.cnblogs.com/softidea/p/5309312.html
http://blog.csdn.net/hongchangfirst/article/details/26004335

5 轮询锁和定时锁
由tryLock实现，与无条件获取锁模式相比，它们具有更完善的错误恢复机制。可避免死锁的发生：
boolean tryLock()：仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁。如果锁可用，则获取锁，并立即返回值 true。如果锁不可用，则此方法将立即返回值 false。

boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：
　　如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁。

　　如果锁可用，则此方法将立即返回值 true。如果锁不可用，出于线程调度目的，将禁用当前线程，并且在发生以下三种情况之一前，该线程将一直处于休眠状态：

　　锁由当前线程获得；或者
　　其他某个线程中断当前线程，并且支持对锁获取的中断；或者
　　已超过指定的等待时间
　　如果获得了锁，则返回值 true。

　　如果当前线程：

　　在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者
　　在获取锁时被中断，并且支持对锁获取的中断，
　　则将抛出 InterruptedException，并会清除当前线程的已中断状态。
　　如果超过了指定的等待时间，则将返回值 false。如果 time 小于等于 0，该方法将完全不等待。

6 显示锁和内置锁
显示锁用Lock来定义、内置锁用syschronized。
内置锁：每个java对象都可以用做一个实现同步的锁，这些锁成为内置锁。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁，在退出同步代码块或方法时会释放该锁。获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。
内置锁是互斥锁。

7 读-写锁
Lock接口以及对象，使用它，很优雅的控制了竞争资源的安全访问，但是这种锁不区分读写，称这种锁为普通锁。为了提高性能，Java提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如果没有写锁的情况下，读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。
Java中读写锁有个接口java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock，也有具体的实现ReentrantReadWriteLock，详细的API可以查看JavaAPI文档。
ReentrantReadWriteLock 和 ReentrantLock 不是继承关系，但都是基于 AbstractQueuedSynchronizer 来实现。
lock方法是基于CAS 来实现的
ReadWriteLock中暴露了两个Lock对象：

在读写锁的加锁策略中，允许多个读操作同时进行，但每次只允许一个写操作。读写锁是一种性能优化的策略。

RentrantReadWriteLock在构造时也可以选择是一个非公平的锁（默认）还是公平的锁。

8 对象锁和类锁
java的对象锁和类锁在锁的概念上基本上和内置锁是一致的，但是，两个锁实际是有很大的区别的，对象锁是用于对象实例方法，或者一个对象实例上的，类锁是用于类的静态方法或者一个类的class对象上的。
类的对象实例可以有很多个，但是每个类只有一个class对象，所以不同对象实例的对象锁是互不干扰的，但是每个类只有一个类锁。但是有一点必须注意的是，其实类锁只是一个概念上的东西，并不是真实存在的，它只是用来帮助我们理解锁定实例方法和静态方法的区别的.
synchronized只是一个内置锁的加锁机制，当某个方法加上synchronized关键字后，就表明要获得该内置锁才能执行，并不能阻止其他线程访问不需要获得该内置锁的方法。

调用对象wait()方法时，会释放持有的对象锁，以便于调用notify方法使用。notify()调用之后，会等到notify所在的线程执行完之后再释放锁

9：锁粗化（Lock Coarsening）：
锁粗化的概念应该比较好理解，就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子：
1 package com.paddx.test.string;
2
3 public class StringBufferTest {
4 StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
5
6 public void append(){
7 stringBuffer.append(“a”);
8 stringBuffer.append(“b”);
9 stringBuffer.append(“c”);
10 }
11 }

　　这里每次调用stringBuffer.append方法都需要加锁和解锁，如果虚拟机检测到有一系列连串的对同一个对象加锁和解锁操作，就会将其合并成一次范围更大的加锁和解锁操作，即在第一次append方法时进行加锁，最后一次append方法结束后进行解锁。

10 互斥锁
互斥锁, 指的是一次最多只能有一个线程持有的锁。如Java的Lock

15 无锁状态-》偏向锁-》轻量级锁-》重量级锁。锁膨胀
　锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。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）。JDK 1.6中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，
锁膨胀：从轻量锁膨胀到重量级锁是在轻量级锁解锁过程发生的。
重量级锁：Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。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。因此，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”。
轻量级锁：“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。但是，首先需要强调一点的是，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。在解释轻量级锁的执行过程之前，先明白一点，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。
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）。上面说过，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。
无锁状态：在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态。
重量级锁、轻量级锁和偏向锁之间转换：

11 锁消除（Lock Elimination）：锁消除即删除不必要的加锁操作。根据代码逃逸技术，如果判断到一段代码中，堆上的数据不会逃逸出当前线程，那么可以认为这段代码是线程安全的，不必要加锁。看下面这段程序：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest02 {

 public static void main(String[] args) {

     SynchronizedTest02 test02 = new SynchronizedTest02();

      //启动预热

      for (int i = 0; i < 10000; i++) {

         i++;

     }

    long start = System.currentTimeMillis();

     for (int i = 0; i < 100000000; i++) {

         test02.append("abc", "def");

     }

     System.out.println("Time=" + (System.currentTimeMillis() - start));

 }

 public void append(String str1, String str2) {

     StringBuffer sb = new StringBuffer();

     sb.append(str1).append(str2);

 }  }

虽然StringBuffer的append是一个同步方法，但是这段程序中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会从该方法中逃逸出去，所以其实这过程是线程安全的，可以将锁消除。下面是我本地执行的结果
12、信号量
线程同步工具：Semaphore

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