前言：线程安全这个概念可能是在多线程编程中提及最多的一个概念了。如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。 也就是说线程的随机调度顺序不影响某段代码的最后执行结果，那么我们认为这段代码是线程安全的。
为了保证代码的线程安全，Java中推出了很多好用的工具类或者关键字，比如volatile、synchronized、ReentrantLock锁、ThreadLocal、并发集合、线程池和CAS机制等。这些工具并不是在每个场景下都能满足我们多线程编程的需求，并不是在每个场景下都有很高的效率，需要我们程序员根据具体的场景来选择最适合的技术，这也许就是我们程序员存在的价值所在。
一、Java锁简介
1.1、锁的概念
锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式，一般来说，一个锁能防止多个线程同时访问共享资源(但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，如读写锁)。在以前，Java程序是靠synchronized来实现锁功能的，而在Java SE 5之后，并发包中新增了Lock接口(以及相关实现类)用来实现锁功能，他提供了与synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式的获取锁和释放锁，虽然它缺少了synchronized提供的隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取和释放的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized关键字不具备的同步特性。很多锁都通过实现Lock接口来完成对锁的操作，比如可重入锁(ReentrantLock)，而Lock接口的实现，基本是都是通过聚合了一个同步器的子类来完成线程访问控制的，而同步器，就是我们常说的AQS(AbstractQueuedSynchronizer)。
类锁和对象锁区别
类锁所有对象一把锁
对象锁一个对象一把锁，多个对象多把锁
同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。同步是对同一把锁而言的，同步这个概念是在多个线程争夺同一把锁的时候才能实现的，如果多个线程争夺不同的锁，那多个线程是不能同步的
两个线程一个取对象锁，一个取类锁，则不能同步
两个线程一个取a对象锁，一个取b对象锁，则不能同步
1.2、synchronized作用
synchronized是用来完成多线程条件下同步工作的
- 若没有同步，一个方法有多条语句，两个线程A和B都要都用某个方法，而A线程在调用这个方法的时候，B线程可不会等它多条语句都执行完再去调用这个方法，更有可能的是A线程没有执行完这个方法，B线程夺得CPU执行权，A对这个方法的调用就停止在它最后执行到的语句位置，直到A下一次抢到CPU执行权A才能继续执行它未执行完的代码。
- 有了同步后，当A获得执行权并开始执行此方法，B就必须乖乖等A将方法全部执行完之后才有权去执行此方法。
1.3、锁和synchronized的关系
锁是Java中用来实现同步的工具，而之所以能对方法或者代码块实现同步的原因就是：
只有拿到锁的线程才能执行synchronized修饰的方法或代码块，且其他线程获得锁的唯一方法是等目前拿到锁的线程执行完方法将锁释放，如果synchronized修饰的代码块或方法没执行完是不会释放这把锁的，这就保证了拿到锁的线程一定可以一次性把它调用的方法或代码块执行完。
二、Java锁的种类
大家在面试过程时，可能经常会被问到各种各样的锁，如乐观锁、读写锁等等，非常繁多，我在此做一个总结。
- 乐观锁/悲观锁
- 独享锁/共享锁
- 互斥锁/读写锁
- 可重入锁
- 公平锁/非公平锁
- 分段锁
- 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
- 自旋锁
以上是一些锁的名词，这些分类并不是全是指锁的状态，有的指锁的特性，有的指锁的设计，下面总结的内容是对每个锁的名词进行一定的解释。
2.1、乐观锁/悲观锁
乐观锁与悲观锁并不是特指某两种类型的锁，是人们定义出来的概念或思想，主要是指看待并发同步的角度。
乐观锁：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，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(Compare and Swap 比较并交换)实现的。
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。比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现就是悲观锁。
悲观锁适合写操作非常多的场景，悲观锁在Java中的使用，就是利用各种锁；
乐观锁适合读操作非常多的场景，不加锁会带来大量的性能提升。乐观锁在Java中的使用，是无锁编程，常常采用的是CAS算法，典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子操作的更新。
①乐观锁
乐观锁总是认为不存在并发问题，每次去取数据的时候，总认为不会有其他线程对数据进行修改，因此不会上锁。但是在更新时会判断其他线程在这之前有没有对数据进行修改，一般会使用“数据版本机制”或“CAS操作”来实现。
（1）数据版本机制
实现数据版本一般有两种，第一种是使用版本号，第二种是使用时间戳。以版本号方式为例。
版本号方式：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。
核心SQL代码：
update table set xxx=#{xxx}, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};（2）CAS操作
CAS（Compare and Swap 比较并交换），当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。
CAS操作中包含三个操作数——需要读写的内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B，否则处理器不做任何操作。
② 悲观锁
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定会发生修改的，哪怕没有修改，也会认为修改。因此对于同一份数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加锁并发操作一定会出问题。
在对任意记录进行修改前，先尝试为该记录加上排他锁（exclusive locking）。如果加锁失败，说明该记录正在被修改，那么当前查询可能要等待或者抛出异常。具体响应方式由开发者根据实际需要决定。如果成功加锁，那么就可以对记录做修改，事务完成后就会解锁了。期间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作，都会等待我们解锁或直接抛出异常。
2.2 、独享锁/共享锁
独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。共享锁是指该锁可被多个线程所持有。
对于Java ReentrantLock而言，其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock，其读锁是共享锁，其写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。
独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。
对于Synchronized而言，当然是独享锁。
2.3 、互斥锁/读写锁
上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法，互斥锁/读写锁就是具体的实现。
互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock。
读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock：对资源读取和写入的时候拆分为2部分处理，读的时候可以多线程一起读，写的时候必须同步地写
2.4 、可重入锁
可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁。也就是在执行对象中所有同步方法不用再次获得锁 。
说的有点抽象，下面会有一个代码的示例。
对于Java ReetrantLock而言，从名字就可以看出是一个重入锁，其名字是Reentrant Lock 重新进入锁。
对于Synchronized而言，也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。
synchronized void setA() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
setB();
}
synchronized void setB() throws Exception{
Thread.sleep(1000);
}上面的代码就是一个可重入锁的一个特点。如果不是可重入锁的话，setB可能不会被当前线程执行，可能造成死锁。
2.5、公平锁/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：按等待获取锁的线程的等待时间进行获取，等待时间长的具有优先获取锁权利
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能，会造成优先级反转或者饥饿现象。
对于Java ReetrantLock而言，通过构造函数指定该锁是否是公平锁，默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。
对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度，所以并没有任何办法使其变成公平锁。
2.6、分段锁
分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。
我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想，ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7和JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。
当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在哪一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。但是，在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。
分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。
2.7 、偏向锁/轻量级锁/重量级锁
Java中每个对象都可作为锁，锁有四种级别，按照量级从轻到重分为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。并且锁只能升级不能降级。这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
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。
在一段时间内，锁不存在多线程竞争， 而是总是由同一个线程多次获得，为了让线程获取锁的代价更低就引入了偏向锁的概念。怎么理解偏向锁呢？ 当一个线程访问加了同步锁的代码块时，会在对象头中存储当前线程的 ID，后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接比较对象头里面是否存储了指向当前线程的偏向锁。如果相等表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了。
轻量级锁：是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，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，提高性能。
重量级锁：是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让他申请的线程进入阻塞，性能降低。
2.8、 自旋锁
在Java中，自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。
自旋锁是一种非阻塞锁，它的核心机制就在自旋两个字，即用自旋操作来替代阻塞操作。某一线程尝试获取某个锁时，如果该锁已经被另一个线程占用的话，则此线程将不断循环检查该锁是否被释放，而不是让此线程挂起或睡眠。一旦另外一个线程释放该锁后，此线程便能获得该锁。自旋是一种忙等待状态，过程中会一直消耗CPU的时间片。
由于Java中的线程是与操作系统中的线程一一对应的，所以当一个线程在获取锁（比如独占锁）失败后，会被切换到用户状态而被挂起。当该线程获取到锁时又需要将其切换到内核状态而唤醒该线程。而从用户状态切换到内核状态的开销是比较大的，在一定程度上会影响并发性能。自旋锁则是，当前线程在获取锁时，如果发现锁已经被其他线程占有，它不马上阻塞自己，在不放弃CPU使用权的情况下，多次尝试获取（默认次数是10，可以使用-XX:PreBlockSpinsh参数设置该值），很有可能在后面几次尝试中其他线程已经释放了锁。如果尝试指定的次数后仍没有获取到锁则当前线程才会被阻塞挂起。由此看来自旋锁是使用CPU时间换取线程阻塞与调度的开销，但是很有可能这些CPU时间白白浪费了。
2.9、可中断锁
在等待获取锁过程中可中断
2.10、锁总结
