文章目录
1 常见的锁策略
1.1 乐观锁与悲观锁
乐观锁
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，才会正式的对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现了并发冲突，则返回错误信息，让用户来决定如何去做。
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。
乐观和悲观的区别主要是在于对锁冲突的预估：如果说，预估锁冲突的概率是比较高的，就比较悲观~ 而如果锁冲突的概率是比较低的，就很乐观了~
像 Java 中 synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁就是悲观锁思想的实现。
public void performSynchronisedTask() {
synchronized (this) {
// 需要同步的操作
}
}
private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 需要同步的操作
} finally {
lock.unlock();
}
而像 Java 中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。关于 CAS 我们往后再谈~
那么悲观锁和乐观锁分别适用于什么样的场景呢？
想必大家一定有和辅导员请假的经历，我们可以把乐观锁和悲观锁看成两类人：A 和 B。假设 A 同学 和 B 同学都想要给辅导员请假。
乐观 A 同学：
乐观 A 同学认为，辅导员是比较 空闲 的。于是，想要请假的时候就直接去办公室找辅导员。如果辅导员比较忙，则请假失败，等辅导员空闲的时候再次尝试请假；而如果辅导员真的比较闲，就能直接请假了。（在本次流程中，没有进行加锁操作，而是直接访问资源。就算没有请假成功，也进行了数据冲突的识别~）
悲观 B 同学：
悲观 B 同学认为，辅导员是比较 忙碌 的。因此，B 同学会先给辅导员打电话，询问其是否有时间（相当于加锁操作）。得到辅导员的肯定答复后，才会去辅导员办公室进行请假流程。如果得到了否定回答，则会等待一定时间，下次再和辅导员确定。
两种方式乍一眼看区别不太大，但是实际上，适合的场景是不同的：如果辅导员是真的忙，那么使用悲观锁比较合适~ 如果使用乐观锁，就会像 A 同学那样，每次都跑去办公室确认是否空闲，无形中耗费了很多资源；如果辅导员是比较空闲的，那么使用乐观锁比较合适，如果使用悲观锁，则会让效率更低~
1.2 轻量级锁与重量级锁
轻量和重量则单纯是 从时间消耗 来看的，对于轻量级锁来说，其获取锁的速度会更快；对于重量级锁来说，获取锁的速度会更慢~
对于锁的原子性，追根溯源是 CPU 提供的：
- CPU 提供了原子操作指令；
- 操作系统基于原子操作指令，实现了
mutex互斥锁； - JVM 又基于操作系统提供的互斥锁实现了
synchronized和ReentrantLock等关键字和类。
重量级锁 ： 加锁机制重度依赖了操作系统提供的 mutex
- 大量的内核态和用户态的切换
- 容易引发线程的调度
轻量级锁 ：与重量级锁不同，其加锁机制尽可能不使用操作系统提供的互斥锁，而是尽量在 用户态 完成，操作系统提供的 mutex 是下下策~
- 少量的内核态和用户态的切换
- 不太容易引发线程的调度
1.3 自旋锁与挂起等待锁
自旋锁是轻量级锁的典型实现，挂起等待锁是重量级锁的典型实现。
自旋锁
一般情况下，线程在尝试获取锁失败后就会进入阻塞状态，而放弃CPU，等待被调度。而自旋锁则不同，其策略是：如果获取锁失败，则立即尝试获取锁，直到获取锁为止！一旦锁被其他线程释放，就能在第一时间获得锁。
伪代码如下：
while(抢锁(lock) == 失败) {
}
那么该如何区别理解自旋锁和挂起等待锁呢？
这就不得不谈一谈“舔狗”的心路历程了！
我们可以把自旋锁看作一个标准的舔狗！怎么舔呢？死皮赖脸！死缠烂打！坚持不懈的追求女神~ 当女神和前任分手后就能抓住一切机会上位！
而挂起等待锁就比较摆烂了，它追求女神的方式比较特别，仅仅是通知妹子： “那啥，我喜欢你嗷~” 于是就摆烂了。一直等到女神回过神儿来，看也没什么意思，要不就和你试试吧：“单着没？要不试试？” 可是，在你“上岸”前，女神到底中途又谈了多少任你是不清楚的。
自旋锁相较挂起等待锁来说，由于没有放弃CPU，不涉及线程的调度与阻塞，一旦锁被释放就能第一时间获取~ 但是，如此一来，也有很大的弊端！舔狗虽好，但是累啊！假设，舔狗在追求妹子的时候，妹子和现任谈的天长地久，你就 需要长时间的自旋，而这会消耗 CPU资源，是需要付出巨大成本的！而挂起等待锁，在挂起等待的时候是不需要消耗 CPU 的~
1.4 互斥锁与读写锁
互斥锁是一种很形象的说法：就像一个房间只能住一个人，任何人进去之后就把门锁上了，其他人都不可以进去，直到进去的人重新解锁，既是释放了这个锁资源为止。
而在多线程中，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但是数据的写入方之间以及和读取方之间都需要进行互斥。 而如果在此两种情景下都使用互斥锁，则会产生很大的性能损耗，而读写锁就是为了解决这一问题~
读写锁就是把读操作和写操作区分对待
- 读加锁和读加锁之间, 不互斥.
- 写加锁和写加锁之间, 互斥.
- 读加锁和写加锁之间, 互斥.
在 Java 标准库，实现了 ReentrantReadWriteLock 类, 实现了读写
锁:
- ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.
- ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象也提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁.
注意，上述内容涉及到互斥，而互斥就涉及到了挂起等待了。而线程一旦被挂起，再次被唤醒就是未知的了。所以，尽可能减少互斥是提高效率的有效途径~
1.5 可重入锁与不可重入锁
可重入锁顾名思义就是可以重新进入的锁，允许同一个线程多次获取同一把锁。 连续的两次加锁并不会导致死锁。
Java 中的 Reentrant 开头命名的锁都是可重入锁，synchronized关键字锁也是可重入的。
不可重入锁该如何理解呢？ - > 将自己锁死
伪代码如下（synchronized是可重入锁，这里只是用伪代码举例，并不会真的阻塞）：
即一个线程没有释放锁，又尝试再次加锁
// 加锁！
synchronized(locker) {
// 第二次加锁，锁已占用，阻塞等待
synchronized(locker) {
}
}
可重入锁的实现方式
实现的方式是在锁中记录该锁持有的线程身份，以及一个计数器(记录加锁次数)。如果发现当前加锁的线程就是持有锁的线程，则直接计数自增。
1.6 公平锁与非公平锁
假设有三个线程 A B C，A 获取锁成功， B 获取锁失败，阻塞等待， C 获取锁失败，同样阻塞等待，此时 A 释放锁，B C 会发生什么？
公平锁： 遵循 “先来后到”。当 A 释放锁后，B 能先于 C 获取锁。
非公平锁： 不遵循 “先来后到”，当 A 释放锁后，B 和 C 都有可能获取到锁。
2 CAS 操作
2.1 CAS 简介
即Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，相当于通过一个原子的操作, 同时完成 “读取内存, 比较是否相等, 修改内存” 这三个步骤。本质上需要 CPU 指令的支撑。一个 CAS 涉及到以下操作：
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。
- 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
- 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
- 返回操作是否成功。
一句话概括，就是将寄存器A的值和内存V的值进行比对，如果值相同，就把寄存器B的值和V的值进行交换。
伪代码如下：
boolean CAS(address, expectValue, swqpValue) {
if (&address == expectValue) {
&address = swqpValue;
return true;
}
return false;
}
address -> 内存地址， expectValue -> 寄存器A，swapValue -> 寄存器B
CAS操作是一条 CPU 指令，具有原子性，伪代码只是用于方便理解。
CAS 可以视为一个乐观锁，当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。
2.2 CAS 的应用
2.2.1 实现原子类
标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的。
典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作。
操作示例代码
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();
原子类通过CAS操作是如何实现的呢？
伪代码如下：
class AtomicInteger {
private int value;
public int getAndIncrement() {
int oldValue = value;
while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
oldValue = value;
}
return oldValue;
}
}
由于 Java 没法表示在寄存器中的值，oldValue 可以视为一个寄存器。
如果发现 value 和 oldValue 值相同，就把 oldValue + 1 设置到 value 中，相当于进行了 ++ 操作。
2.2.2 实现自旋锁
即通过 CAS 查看当前锁是否被某个线程所持有，如果已经被持有了则进行自旋等待；如果没有被持有，就把 owner 设置为当前加锁的线程~
public class SpinLock {
private Thread owner = null;
public void lock(){
// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.
// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待.
// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.
while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
}
}
public void unlock (){
this.owner = null;
}
}
3 CAS 的 ABA 问题
什么是ABA问题呢？
假设有两个线程 t1 和 t2，有一个共享变量 num，其初始值为 A。接下来，线程 t1 想要使用 CAS 把值改成 B 就需要进行下面的步骤：
- 读取 num 的值，记录到 oldNum 变量中
- 使用 CAS 判定当前 num 是否为 A，如果为 A 则修改为 B
但是，在 t1 执行这两个操作之间，线程 t2 可能进行了某种骚操作！t2 可能将 num 的值修改成了 B 又修改成了 A。
需要明确的是，t1 线程使用 CAS 的初衷是期望 num 不变则进行修改，然并卵，t1 线程并不知道 num 是否被 t2 线程更改过并进行了复原~ 虽然，单单对修改 num 值来说，并没什么大问题。
ABA 问题可能引发的 BUG
在大部分情况下，t2 这样反复横跳的骚操作并不会引发什么问题，但是总有些特殊情况~
举个例子~
假设小黄有100块钱，想从 ATM 取款机上取 50 块钱。假设 ATM 创建了两个线程 t1 和 t2 并发执行 -50 的扣款过程~ 我们期望 t1 线程扣款成功，t2 线程扣款失败，使用 CAS 处理扣款过程。
一般情况下：
- t1 和 t2 线程都获取当前存款为 100 块，期望更新为 50，假设 t1 先执行，t2 阻塞等待
- t1 线程执行，扣款成功，当前存款剩余 50 块
- t2 线程执行，发现当前的存款是 50 块，与一开始的 100 块不同，所以扣款失败~
异常情况：
- t1 和 t2 线程都获取当前存款为 100 块，期望更新为 50，假设 t1 先执行，t2 阻塞等待
- t1 线程执行，扣款成功，当前存款剩余 50 块
- 在 t2 线程执行前，七七给小黄进行了转账 50 块的操作
- t2 线程执行，发现当前的存款是 100 块，与一开始的 100 块相同，所以扣款成功，当前存款剩余 50 块~
天呐~ 发现没有！因为 ABA 问题，导致了扣款两次！！！
如果解决 ABA 问题引发的 BUG？
想要解决上述所述问题，其实也很简单，只需要在原来的基础上 引入一个版本号~
具体操作如下：
- CAS 在读取旧值的时候，也需要读取一个版本号。
- 如果需要进行修改数据，则进行版本号的判断。如果当前版本号与之前读到的版本号旧值相同，则进行修改，并且版本号 + 1；如果当前版本号比之前的版本号旧值还要高，则认为已经修改过，不作处理。
对于上述的转账过程中，由于 ABA 问题引发的异常情况，引入版本号后也可以得到解决，具体如下：
- t1 和 t2 线程都获取当前存款为 100 块，期望更新为 50，假设 t1 先执行，t2 阻塞等待。默认读取的 版本号初始为 1。
- t1 线程执行，扣款成功，当前存款剩余 50 块，并进行版本号 + 1 的操作，此时 版本号为 2。
- 在 t2 线程执行前，七七给小黄进行了转账 50 块的操作， 版本号 + 1，此时 版本号为 3。
- t2 线程执行，发现当前的存款是 100 块，与一开始的 100 块相同，但是由于当前版本号为 3，而之前读取的版本号为 1，高于旧值，所以不进行修改操作，余额依然为 100。
写在最后
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