1 基本概括
2 主要介绍
2.1 乐观锁 VS 悲观锁
2.1.1 悲观锁
定义
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。在Java中，synchronized从偏向锁、轻量级锁到重量级锁，全是悲观锁。JDK提供的Lock实现类全是悲观锁。
手动加悲观锁：
读锁：LOCK tables test_db read，释放锁：UNLOCK TABLES;
写锁：LOCK tables test_db WRITE，释放锁：UNLOCK TABLES;
读锁与写锁
如果要更新数据，那么加锁的时候就直接加写锁，一个线程持有写锁的时候别的线程无论读还是写都需要等待；
如果是读取数据仅为了前端展示，那么加锁时就明确地加一个读锁，其他线程如果也要加读锁，不需要等待，可以直接获取（读锁计数器+1）
虽然读写锁感觉与乐观锁有点像，但是读写锁是悲观锁策略。因为读写锁并没有在更新前判断值有没有被修改过，而是在加锁前决定应该用读锁还是写锁。
特点
优点：可以完全保证数据的独占性和正确性，因为每次请求都会先对数据进行加锁， 然后进行数据操作，最后再解锁，而加锁释放锁的过程会造成消耗，所以性能不高;
缺点：因为每次请求都会先对数据进行加锁， 然后进行数据操作，最后再解锁，而加锁释放锁的过程会造成消耗，所以性能不高;
2.1.2 乐观锁
定义
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，在此期间有没有别人去更新这个数据，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，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。
形象化记忆：乐观锁认为对数据的操作不会产生冲突，所以不会加锁，而是在提交更新的时候才会对数据的冲突与否进行检测。如果发现冲突，要么再重试一次，要么切换为悲观的策略。乐观并发控制要解决的是数据库并发场景下的写-写冲突，指用无锁的方式去解决。
特点
优点：乐观锁是一种并发类型的锁，其本身并不对数据进行加锁，而是通循环重试CAS进而实现锁的功能，其不对数据进行加锁就意味着允许多个线程同时读取（因为根本没有加锁操作）数据，但是只有一个线程可以成功更新数据，并导致其他要更新数据的线程回滚重试，这种方式大大地提高了数据操作的性能，因为整个过程中并没有“加锁”和“解锁”操作，因此乐观锁策略也被称为无锁编程。
缺点
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，因为在这段时间他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被修改过。这个问题被称为CAS操作的“ABA”问题。
JDK1.5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。
循环时间长开销大
自旋CAS（也就是不成功就一直循环直到成功）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，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0.第二他可以避免在退出循环时因内存顺序冲突引起CPU流水线被清空，从而提高CPU执行效率。
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JDK1.5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。
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JDK1.5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。
2.1.3 乐观锁的实现两种方式
版本号机制
一般是在数据表中加上版本号字段 version，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，这个字段值会加1。
举个简单的例子：假设帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ，而当前帐户的余额（ balance ）为 100 。
操作员 A 此时准备将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 50（ 100-50 ）；
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 （ 100-20 ）；
操作员 A 完成修改工作，将数据版本号加1（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=50 ），提交到数据库完成更新；
操作员 B 完成了操作，也将版本号加1（ 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发现，操作员 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录的当前版本也为 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，最终造成覆盖操作员 A 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（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步，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 native 原子操作）。一般情况下，这是一个自旋操作，即不断的重试。
2.1.4 乐观锁和悲观锁的调用方式
2.2 公平锁 VS 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，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。
非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。
直接用语言描述可能有点抽象，这里作者用从别处看到的一个例子来讲述一下公平锁和非公平锁。
如上图所示，假设有一口水井，有管理员看守，管理员有一把锁，只有拿到锁的人才能够打水，打完水要把锁还给管理员。每个过来打水的人都要管理员的允许并拿到锁之后才能去打水，如果前面有人正在打水，那么这个想要打水的人就必须排队。管理员会查看下一个要去打水的人是不是队伍里排最前面的人，如果是的话，才会给你锁让你去打水；如果你不是排第一的人，就必须去队尾排队，这就是公平锁。
但是对于非公平锁，管理员对打水的人没有要求。即使等待队伍里有排队等待的人，但如果在上一个人刚打完水把锁还给管理员而且管理员还没有允许等待队伍里下一个人去打水时，刚好来了一个插队的人，这个插队的人是可以直接从管理员那里拿到锁去打水，不需要排队，原本排队等待的人只能继续等待。如下图所示：
接下来我们通过ReentrantLock的源码来讲解公平锁和非公平锁。
根据代码可知，ReentrantLock里面有一个内部类Sync，Sync继承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在Sync中实现的。它有公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync两个子类。ReentrantLock默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显示的指定使用公平锁。
下面我们来看一下公平锁与非公平锁的加锁方法的源码:
通过上图中的源代码对比，我们可以明显的看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件：hasQueuedPredecessors()。
再进入hasQueuedPredecessors()，可以看到该方法主要做一件事情：主要是判断当前线程是否位于同步队列中的第一个。如果是则返回true，否则返回false。
综上，公平锁就是通过同步队列来实现多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，从而实现公平的特性。非公平锁加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，所以存在后申请却先获得锁的情况。
2.4 无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁
这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。在介绍这四种锁状态之前还需要介绍一些额外的知识。
首先为什么Synchronized能实现线程同步？
在回答这个问题之前我们需要了解两个重要的概念：“Java对象头”、“Monitor”。
Java对象头
synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前需要给同步资源先加锁，这把锁就是存在Java对象头里的，而Java对象头又是什么呢？
我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。
Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
Monitor
Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。
Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。
现在话题回到synchronized，synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步。
如同我们在自旋锁中提到的“阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。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”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。
所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。
通过上面的介绍，我们对synchronized的加锁机制以及相关知识有了一个了解，那么下面我们给出四种锁状态对应的的Mark Word内容，然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点：
无锁
无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
偏向锁
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。
在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。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原子指令即可。
偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。
轻量级锁
是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，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，从而提高性能。
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（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。
若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。
重量级锁
升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。
整体的锁状态升级流程如下：
综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
2.5 自旋锁与适应性自旋锁
分类定义：锁住同步资源失败，要不要进行阻塞
1、概念
自旋锁的概念。阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。减少cpu切换
在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。
而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
缺点：自旋锁本身是有缺点的，它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销，但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。所以，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定次数(默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改)没有成功获得锁，就应当挂起线程。
原理：自旋锁的实现原理同样也是CAS
适应性自旋锁：自适应意味着自旋的时间(次数)不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源说
2.6 重入锁和可重入锁
一、可重入锁与不可重入锁的理解
Java多线程有阻塞函数wait()方法和通知函数notify()方法
wait()：阻塞当前线程
notify()：唤起被wait()阻塞的线程
这两个方法是成对出现和使用的，要执行这两个方法，有一个前提就是，当前线程必须获其对象的monitor（俗称“锁”），否则会抛出IllegalMonitorStateException异常，所以这两个方法必须在同步块代码里面调用。
核心问题场景：当一个线程获得当前实例的锁lock，并且进入了方法A，该线程在方法A没有释放该锁的时候，是否可以再次进入使用该锁的方法B？
不可重入锁：在方法A释放锁之前，不可以再次进入方法B
可重入锁：在方法A释放该锁之前，可以再次进入方法B
1）不可重入锁：
当线程在访问A方法的时候，获取的A方法的锁，在A方法锁释放之前不能够访问其他方法（如方法B）的锁。
不可重入锁模型：｛｝｛｝｛｝｛｝｛｝都是独立地访问每一个方法，加锁 - 释放；加锁 - 释放。。。
2）可重入锁：
当线程在访问A方法的时候，获取A方法的锁，然后访问B方法获取B方法的锁，并计数加1，以此类推可以访问完了以后依次解锁。
可重入锁模型：｛｛｛｛｝｝｝｝ 每次都可访问另一个方法，且加锁计数器加1，完全释放锁为计数器等于0
二、可重入锁
可重入锁，是指同一个线程可以重入上锁的代码段，不同的线程进入则需要进行阻塞等待。
Java的可重入锁有：reentrantLock（显式的可重入锁）、synchronized（隐式的可重入锁）
可重入锁诞生的目的就是防止死锁，导致同一个线程不可重入上锁代码段，目的就是让同一个线程可以重新进入上锁代码段。
public class MyReentrantLock {
boolean isLocked = false; // 默认没有上锁
Thread lockedBy = null; // 记录阻塞线程
int lockedCount = 0; // 上锁次数计数
/**
* 上锁逻辑
*/
public synchronized void lock() throws InterruptedException {
Thread thread = Thread.currentThread();
// 上锁了 并且 如果是同一个线程则放行，否则其它线程需要进入where循环进行等待
while (isLocked && lockedBy != thread) {
wait();
}
isLocked = true; // 第一次进入就进行上锁
lockedCount++; // 上锁次数计数
lockedBy = thread; // 当前阻塞的线程
}
/**
* 释放锁逻辑
*/
public synchronized void unlock() {
if (Thread.currentThread() == this.lockedBy) {
lockedCount--; // 将上锁次数减一
if (lockedCount == 0) {// 当计数为0，说明所有线程都释放了锁
isLocked = false; // 真正的将释放了所有锁
notify();
}
}
}
}1、可重入锁 synchronize
// 演示可重入锁是什么意思，可重入，就是可以重复获取相同的锁，synchronized和ReentrantLock都是可重入的
// 可重入降低了编程复杂性
public class WhatReentrant {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (this) {
System.out.println("第1次获取锁，这个锁是：" + this);
int index = 1;
while (true) {
synchronized (this) {
System.out.println("第" + (++index) + "次获取锁，这个锁是：" + this);
}
if (index == 10) {
break;
}
}
}
}
}).start();
}
}2、可重入锁 reentrantLock
//演示可重入锁是什么意思
public class WhatReentrant2 {
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
System.out.println("第1次获取锁，这个锁是：" + lock);
int index = 1;
while (true) {
try {
lock.lock();
System.out.println("第" + (++index) + "次获取锁，这个锁是：" + lock);
try {
Thread.sleep(new Random().nextInt(200));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (index == 10) {
break;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
}).start();
}
}三 不可重入锁
不可重入锁，是指同一个线程不可以重入上锁后的代码段
如下代码示例，是一个不可重入锁的逻辑过程。
public class Count{
MyLock lock = new MyLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Count().doSomeThing(); // 示例的main方法
}
public void doSomeThing() throws InterruptedException {
lock.lock(); // 第一次上锁
System.out.println("执行doJob方法前");
doJob(); // 方法内会再次上锁
lock.unlock(); // 释放第一次上的锁
}
public void doJob() throws InterruptedException {
lock.lock();
System.out.println("执行doJob方法过程中");
lock.unlock();
}
}
/**
* 自定义锁
*/
class MyLock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock() throws InterruptedException{
while(isLocked){
wait();
}
isLocked = true; // 线程第一次进入后就会将器设置为true，第二次进入是就会由于where true进入死循环
}
public synchronized void unlock(){
isLocked = false; // 将这个值设置为false目的是释放锁
notify(); // 结束阻塞
}
}2.7 排他（exclusive）锁和共享（shared）锁
1 排他锁：排他锁很好理解，是自己独占资源。其它会话想再在同一对象上加共享或排他锁都是不允许的。不过其它会话可以读，这也证明普通的读是不上锁的。如果查的对象被修改，查询操作还会会被重定向到对应的撤销块（原来的数据），以保证事务事物隔离和读一致；
2 共享锁：共享锁是造成上锁对象必须被大家共享，它排斥 排他锁，因此别的会话不能独占资源对其修改（“修改”会先给修改对象加上 排他锁 的）。但不排斥其他共享锁，所以一个对象可被多个会话同时加上共享锁。
3 常见问题
1 什么是乐观锁和悲观锁？
2 锁的分类
3 乐观锁的实现方式
4 重入锁和可重入锁
