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一、乐观锁 vs 悲观锁

乐观锁和悲观锁是两种常见的并发控制策略，用于处理多线程环境下的数据一致性和同步问题。它们从不同的角度出发，针对锁冲突的可能性采取不同的预防措施。Synchronized 初始使用乐观锁策略，当发现锁竞争比较频繁的时候，就会自动切换成悲观锁策略。

1、乐观锁

乐观锁基于这样一个假设：在大多数情况下，锁冲突是不会发生的。因此，它允许多个线程在没有直接锁定资源的情况下并发访问数据，仅在数据提交更新时检查是否存在冲突。如果发现数据在读取后被其他线程修改，操作会被回滚，要求重试。乐观锁的实现通常依赖于数据版本号或时间戳。这种机制适合读操作频繁而写操作相对较少的场景，可以减少锁的开销，提高系统的并发性能。

2、悲观锁

悲观锁则是基于一个相反的假设：认为冲突在多线程访问中是常态，因此在操作数据前，会先尝试锁定资源，确保一次只有一个线程能操作数据。这种策略通过直接避免并发访问来防止冲突，直到当前持有锁的线程完成操作并释放锁后，其他线程才能访问数据。悲观锁适用于写操作频繁的场景，虽然它可能引入更高的等待时间和系统开销，但可以有效保障数据的一致性和完整性。

二、重量级锁 vs 轻量级锁

锁的核心特性”原子性“，这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的。

• CPU 提供了 “原子操作指令”。
• 操作系统基于 CPU 的原子指令，实现了 mutex 互斥锁。
• JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类。

注意, synchronized 并不仅仅是对 mutex 进行封装，在 synchronized 内部还做了很多其他的工作

1、重量级锁

重量级锁：加锁机制重度依赖了操作系统提供了mutex

• 大量的内核态用户态切换
• 很容易引发线程的调度

2、轻量级锁

轻量级锁：加锁机制尽可能不使用 mutex，而是尽量在用户态代码完成。实在搞不定了，再使用 mutex。

• 少量的内核态用户态切换
• 不太容易引发线程调度

3、理解用户态 vs 内核态

用户态：

• 相当于你在银行窗口外办理业务，所有操作由你自己完成。
• 你需要填写表格、准备材料、排队等候，所有流程和时间成本都在你的掌控之中。
• 办理简单业务时，用户态效率高，因为你无需等待他人协助。

内核态：

• 相当于你在银行窗口内办理业务，由工作人员为你服务。
• 你需要向工作人员说明需求，等待他们处理，并可能需要反复沟通确认。
• 办理复杂业务时，内核态效率更高，因为专业的工作人员可以帮你处理繁琐的事务。

效率对比：

• 用户态的操作时间成本可控，因为你掌控着所有环节。
• 内核态的操作时间成本不可控，因为你需要等待工作人员处理，并可能受其他因素影响。

过度切换的代价：

• 如果你在办理业务过程中，频繁地在窗口外和窗口内之间切换，例如需要反复与工作人员沟通、重新排队等，那么效率会大幅降低。
• 在程序运行中，如果频繁地在用户态和内核态之间切换，也会导致效率降低，因为切换本身需要消耗时间和资源。

三、自旋锁 vs 挂起等待锁

1、自旋锁

按之前的方式，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但实际上，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。

没必要就放弃 CPU，这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题。synchronized 中的轻量级锁策略大概率就是通过自旋锁的方式实现的。

自旋锁伪代码：while (抢锁(lock) == 失败) {}

如果获取锁失败，立即再尝试获取锁，无限循环，直到获取到锁为止。第一次获取锁失败，第二次的尝试会在极短的时间内到来。一旦锁被其他线程释放，就能第一时间获取到锁。

自旋锁是一种典型的 轻量级锁 的实现方式：

自旋锁的优势： 没有放弃 CPU，不涉及线程阻塞和调度，一旦锁被释放，就能第一时间获取到锁。

自旋锁的缺点： 如果锁被其他线程持有的时间比较久，那么就会持续的消耗 CPU 资源。（而挂起等待的时候是不消耗 CPU）

2、挂起等待锁

挂起等待锁是一种重量级锁的实现方式，它与自旋锁相比，在锁竞争激烈的情况下，能够更加有效地避免CPU资源浪费，但同时也带来了线程调度的开销。

工作原理： 当线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程持有，则当前线程会进入挂起状态，放弃CPU资源，并等待锁被释放。当锁被释放后，操作系统会唤醒所有处于挂起状态的线程，并重新进行锁竞争。

挂起等待锁伪代码：

if (抢锁(lock) == 失败) {
    挂起线程；
    等待锁被释放；
}
// 获取到锁

挂起等待锁的优势：

• 在锁竞争激烈的情况下，能够有效避免CPU资源浪费。
• 线程不会一直占用CPU资源，提高了系统的整体效率。

挂起等待锁的劣势：

• 涉及线程阻塞和调度，带来了额外的开销。
• 在锁竞争不激烈的情况下，性能可能不如自旋锁。

3、总结

特性	自旋锁	挂起等待锁
加锁方式	用户态，自旋循环	内核态，系统锁机制
资源消耗	低 (锁空闲时) / 高 (锁竞争激烈时)	低 (锁竞争激烈时)
适用场景	竞争不激烈	竞争激烈
性能表现	快速灵动	稳定可靠

四、读写锁 vs 互斥锁

1、读写锁

读写锁是一种特殊的锁机制，它针对读写操作进行区分，允许多个线程同时进行读操作，但只能有一个线程进行写操作，从而提高并发效率。

读写锁就是把读操作和写操作区分对待。Java 标准库提供了 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。

其中：

• 读读不互斥：多个线程可以同时获取读锁，进行读操作。
• 写写互斥：多个线程不能同时获取写锁，进行写操作。
• 读写互斥：读线程和写线程不能同时获取锁。

读写锁的优势：

• 在读操作远多于写操作的情况下，读写锁可以大幅提高并发效率。
• 避免了互斥锁过度锁定的问题，提高了程序的整体性能。

读写锁的应用场景：

• 缓存系统：读操作远多于写操作，使用读写锁可以提高缓存命中率。
• 数据库系统：读操作远多于写操作，使用读写锁可以提高数据库的并发能力。
• 配置文件：读操作远多于写操作，使用读写锁可以提高配置文件的读取效率。

2、互斥锁

互斥锁则是传统的锁机制，它不允许任何线程同时获取锁，无论读写操作。

五、公平锁 vs 非公平锁

公平锁和非公平锁也是两种常见的锁机制，它们在锁的分配策略上存在差异，从而影响程序的运行效率和公平性。

下面以追女神为例：

1、公平锁

公平锁是线程按照申请锁的顺序获取锁，就像排队一样，先来后到。即使线程在竞争锁时处于休眠状态，也不会影响其获取锁的机会。可以保证每个线程都有平等的机会获取锁，避免线程饥饿问题。

当女神和前任分手之后，先来追女神的男生上位，这就是公平锁。

2、非公平锁

如果是女神不按先后顺序挑一个自己看的顺眼的，就是非公平锁。synchronized是非公平锁。

六、可重入锁 vs 不可重入锁

1、可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。

可重入锁允许同一个线程在递归调用过程中多次获取锁，而不会发生阻塞。就像一个人拿着自己家的钥匙，可以多次打开自己的房门一样。Java 中的 ReentrantLock 类、synchronized 关键字锁都是可重入锁。

理解可重入锁：

• 可重入锁通过计数器来实现，记录当前线程获取锁的次数。
• 当线程第一次获取锁时，计数器加 1；
• 当线程再次获取锁时，计数器再次加 1；
• 当线程释放锁时，计数器减 1；
• 只有当计数器为 0 时，锁才会被释放，其他线程才能获取锁。

可重入锁的优势：

• 避免了递归调用时死锁的发生。
• 提高了代码的简洁性。

2、不可重入锁

不可重入锁不允许同一个线程在递归调用过程中再次获取锁，否则会发生阻塞。就像一个人拿着别人的钥匙，只能打开一次门，再次尝试打开门时会因为钥匙不匹配而被阻拦。Linux 系统提供的 mutex锁是不可重入锁。

理解不可重入锁：

• 不可重入锁没有计数器，只记录锁的持有者。
• 当线程获取锁后，其他线程无法再次获取锁，直到该线程释放锁。

七、常见问题

1、如何理解乐观锁和悲观锁，具体怎么实现呢？

锁类型	特点	实现方式
悲观锁	认为多个线程访问同一共享变量冲突概率大，每次都会加锁	借助操作系统提供的锁机制，如 mutex，获取锁后操作数据
乐观锁	认为冲突概率不大，不加锁直接尝试访问数据，识别访问冲突	引入版本号，通过版本号判断数据访问是否冲突

悲观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率较大，会在每次访问共享变量之前都去真正加
锁；乐观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率不大，并不会真的加锁，而是直接尝试访问数据。在访问的同时识别当前的数据是否出现访问冲突。

悲观锁的实现就是先加锁(比如借助操作系统提供的 mutex)，获取到锁再操作数据，获取不到锁就等待。乐观锁的实现可以引入一个版本号，借助版本号识别出当前的数据访问是否冲突。

2、介绍下读写锁？

读写锁就是把读操作和写操作分别进行加锁。

• 读锁和读锁之间不互斥。
• 写锁和写锁之间互斥。
• 写锁和读锁之间互斥。

读写锁最主要用在 “频繁读，不频繁写” 的场景中。

3、synchronized 是可重入锁么？

是可重入锁，可重入锁指的就是连续两次加锁不会导致死锁。
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。

4、什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略呢，缺点是什么？

如果获取锁失败，立即再尝试获取锁，无限循环直到获取到锁为止。第一次获取锁失败，第二次的尝试会在极短的时间内到来。一旦锁被其他线程释放，就能第一时间获取到锁。

相比于挂起等待锁：

• 优点：没有放弃 CPU 资源，一旦锁被释放就能第一时间获取到锁，更高效。在锁持有时间比较短的场景下非常有用。
• 缺点：如果锁的持有时间较长。就会浪费 CPU 资源。