前言

之前两篇文章介绍了线程的基本概念和锁的基本知识，本文主要是学习同步机制，包括使用synchronized关键字、ReentrantLock等，了解锁的种类，死锁、竞争条件等并发编程中常见的问题。

一、关键字synchronized

1. synchronied关键字可以把任意一个非null的对象当做锁，属于独占式的悲观锁。同时属于可重入锁
2. 早期的的synchronized属于重量级的锁，效率低下，因为监视器是依赖底层的操作系统Lock实现的，从6之后java对sychronized进行了优化，jdk1.6以后还引入了 大量的优化，比如自旋锁，适应性锁，锁消除，锁粗化，偏向锁，轻量级锁等。

1.synchronized用法

常用来保证代码的原子性，主要有三种使用方法

• 修饰实例：作用于当前的对象实例加锁，进入同步代码前获得，当前对象实例的锁。

synchronized void method() {
//业务代码
}

• 修饰静态方法： 也就是给当前类加锁，会作用于该类所有的对象实例。如果线程A调用一个实例对象的非静态synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为静态synchronized方法是占用的锁是当前类的锁，而访问非静态synchronized方法占用的锁是当前实例对象的锁。

synchronized void staic method() {
//业务代码
}

• 修饰代码块： 指定加锁对象，对给定的对象/类加锁，synchronized（this object）表示进入同步前要获得给定对象的锁，synchronized（类.class）表示进入同步前要获得给定类class的锁

synchronized(this) {
//业务代码
}

2. synchronized实现原理

• 使用synchronized是不用我们去加锁和释放lock，unlock，是jvm已经代替去做了
• synchronized修饰代码块的时候，jvm是使用monitorenter和monitorexit两个指令实现的（监视器）
  
• 当修饰同步方法，jvm采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现的同步， 这个标识表面了这是一个同步方法

3.synchronized锁住的原理

monitorenter，monitorexit，ACC_SYNCHRONIZED都是基于monitor（监视器）
所谓的Monitor其实是一种同步工具，也可以说是一种同步机制。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由
ObjectMonitor实现的，可以叫做内部锁，或者Monitor锁。
ObjectMonitor的工作原理：
ObjectMonitor有两个队列：WaitSet、EntryList，用来保存ObjectWaiter 对象列表。
_owner，获取 Monitor 对象的线程进入 _owner 区时， _count + 1。如果线程调用了wait() 方法，此时会释放Monitor 对象， _owner 恢复为空， _count - 1。同时该等待线程进入 _WaitSet 中，等待被唤醒。
-同步是锁住的

• monitorenter，在判断拥有同步标识 ACC_SYNCHRONIZED 抢先进入此方法的线程会优先拥有 Monitor 的owner ，此时计数器+1。
• monitorexit，当执行完退出后，计数器-1，归 0 后被其他进入的线程获得

4.除了原子性，synchronized的可见性和有序性，可重入性怎么实现

1. 可见性：线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量的时候，需要从主内存中重新读取最新的值。线程加锁后，其他线程无法获得主内存中的共享变量的值，线程解锁前必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。
2. 有序性：synchronized同步的代码块具有排他性，一次只能被一个线程拥有，所以可以保证同一个时刻，代码是单线程执行的，因为as-if-serial存在，单线程语句是能够保证最终结果是有序的，但是不保证不会进行指令重排，所以synchronized是保证有序是执行结果的有序而不是防止指令重排的有序性。
3. 可重入性：synchronized是可重入锁，也就说允许一个线程二次请求自己持有的锁的临界资源，这种情况就是可重入锁，锁对象有个计数器，会记录线程获取锁的次数，当执行完对应的代码后，计数器就会减去1，只有归零就会释放锁。之所以可以重入就是因为这个计数器。

5.synchronized和ReentrantLock的区别

可从锁的实现、功能特点、性能维度等分析

• 锁的实现：synchronized是通过jvm实现，是java的关键字；而reentrantlock是通过jdk层面的api实现的的（一般是lock（）和unlock（）方法配合try/catch/finally语句实现）

• 性能：jdk1.6前synchronized性能比较差，应该都是要通过底层调用，但是1.6以后增加了适应性自旋，锁消除等，两者性能差不多。

• 功能特点：-

  • ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能，如等待中断，可实现公平锁，可实现选择性通知；
  • synchronized只能是非公平锁（内部锁），- ReentrantLock可以指定是公平还是非公平（公平锁就是先等待的线程先获得锁）；
  • synchronized与wait()和notify()/notifyAll()方法结合实现等待/通知机制，ReentrantLock类借助Condition接口与newCondition()方法实现。
  • ReentrantLock需要手工声明来加锁和释放锁，一般跟finally配合释放锁。而synchronized不用手动释放锁

二、锁类型

锁可以分为

• 悲观、乐观锁
• 独享、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

以上是锁的名词，有的是指锁的状态，有的是锁特性或者设计。

1.乐观锁、悲观锁

乐观锁和悲观锁并不是两种特定类型锁，是人们定义的概念或者思想。主要是指人们看待同步的角度。

• 乐观锁：顾名思义就是乐观的认为每次取数据，别人都不会修改，所以不上锁，但是在更新的时候会去判断在此期间别人有没有取更新这个数据，可以使用版本号等机制，乐观锁适用于多读的应用程序，这样可以提高吞吐量，在java中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）来实现的
• 悲观锁：总是假设每次去获取数据，都认为别人会修改，所以每次拿取数据都会进行上锁，这样别人拿取数据就会阻塞，直到拿到锁才行，比如Java里面的关键字synchronized实现就是悲观锁，悲观锁适合写操作多的场景。

①. 乐观锁：乐观锁适合读多的场景，不加锁会代理大量的性能提升 ，在java编程中是无锁编程，常常采用的是CAS算法。典型的例子就是原子类，通过CAS自旋实现原子的更新操作。
乐观锁更新判断其他线程有没有更新共享变量 一般采用数据版本机制或者CAS操作实现
（1）：数据版本机制：一般两种方式，一种是使用版本号，另一个是使用时间戳方式。
版本号方式：一般是在数据表上加上一个数据版本号version字段，表示更新的次数，当数据被更新的时候计数加一，当线程A更新数据时候，会在读取数据的同时也会读取version字段，在更新提交的时候，若刚才的读取的version和数据库中的version相等才会更新，否则会重新进行更新操作。直到更新成功。

update table set xxx=#{xxx}, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};

（2）：CAS操作：当多个线程尝试使用CAS同时更新一个变量时候，只有一个线程能够更新变量，其他线程并不会被挂起，会收到通知失败，并可以再次尝试。
CAS需要三个字段值：1.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），如果内存位置的V值和预期原值A想匹配，那么就会更新B，否则不做变动。

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.独享锁、共享锁

独享锁是指该锁只能被一个线程获取，共享锁是指该锁可以被多个线程持有。
对于java而言ReentrantLock是独享锁，但是对于另一个lock的实现类ReadWriterLock来说，其读是共享锁，其写是独占锁。独享锁和共享锁是通过AQS来实现的，通过不同的方法，来实现独享或者共享（synchronized是独占锁）

AQS：AbstractQueueSynchronized抽象同步队列，简称AQS；它是java并发包的基础，并发的锁就是基于Aqs实现的。

• AQS是基于一个FIFO的双向队列，其内部定义了一个node节点类，node节点内部的SHARED用来标记该线程是获取共享变量时被阻挂起后放入AQS队列的，EXCLUSIVE用来标记线程是独占资源时被挂起放入AQS队列。

• AQS使用一个volatile修饰的int类型的成员变量state来表示同步状态，修改同步状态成功表示获得锁，volatile保证了变量在线程之间的可见性，修改state通过CAS机制来保证修改的原子性。

• 获取state方式有两种，独占和共享。一个线程使用了独占的方式，那么其他线程就失败会被阻塞；一个线程使用共享时获取资源，另一个线程还可以通过CAS的方式进行获取。

• 如果共享资源被占用，需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁的分配，AQS会将获取共享资源失败的线程添加到一个变体的CLH中。

• 

  AQS中的ClH变体等待队列特性

  • AQs中队列是个双链表，也是符合FIFO先进先出的特性。
  • 通过head、tail两个头尾节点来组成队列结构，通过volatile来保证可见性。
  • Head指向的节点本身已经获得了锁，是一个虚拟节点，节点本身不具备具体线程
  • 获取不到同步状态，会将节点进行自旋获取锁，自旋一定次数失败后，会将线程阻塞，相对于CLH队列性能较好。