前言

之前兩篇文章介紹了線程的基本概念和鎖的基本知識，本文主要是學習同步機制，包括使用synchronized關鍵字、ReentrantLock等，了解鎖的種類，死鎖、競爭條件等并發(fā)編程中常見的問題。

一、關鍵字synchronized

1. synchronied關鍵字可以把任意一個非null的對象當做鎖，屬于獨占式的悲觀鎖。同時屬于可重入鎖
2. 早期的的synchronized屬于重量級的鎖，效率低下，因為監(jiān)視器是依賴底層的操作系統(tǒng)Lock實現(xiàn)的，從6之后java對sychronized進行了優(yōu)化，jdk1.6以后還引入了 大量的優(yōu)化，比如自旋鎖，適應性鎖，鎖消除，鎖粗化，偏向鎖，輕量級鎖等。

1.synchronized用法

常用來保證代碼的原子性，主要有三種使用方法

• 修飾實例：作用于當前的對象實例加鎖，進入同步代碼前獲得，當前對象實例的鎖。

synchronized void method() {
//業(yè)務代碼
}

• 修飾靜態(tài)方法： 也就是給當前類加鎖，會作用于該類所有的對象實例。如果線程A調(diào)用一個實例對象的非靜態(tài)synchronized方法，而線程B需要調(diào)用這個實例對象所屬類的靜態(tài)synchronized方法，是允許的，不會發(fā)生互斥現(xiàn)象，因為靜態(tài)synchronized方法是占用的鎖是當前類的鎖，而訪問非靜態(tài)synchronized方法占用的鎖是當前實例對象的鎖。

synchronized void staic method() {
//業(yè)務代碼
}

• 修飾代碼塊： 指定加鎖對象，對給定的對象/類加鎖，synchronized（this object）表示進入同步前要獲得給定對象的鎖，synchronized（類.class）表示進入同步前要獲得給定類class的鎖

synchronized(this) {
//業(yè)務代碼
}

2. synchronized實現(xiàn)原理

• 使用synchronized是不用我們?nèi)ゼ渔i和釋放lock，unlock，是jvm已經(jīng)代替去做了
• synchronized修飾代碼塊的時候，jvm是使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現(xiàn)的（監(jiān)視器）
  
• 當修飾同步方法，jvm采用ACC_SYNCHRONIZED標記符來實現(xiàn)的同步， 這個標識表面了這是一個同步方法

3.synchronized鎖住的原理

monitorenter，monitorexit，ACC_SYNCHRONIZED都是基于monitor（監(jiān)視器）
所謂的Monitor其實是一種同步工具，也可以說是一種同步機制。在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由
ObjectMonitor實現(xiàn)的，可以叫做內(nèi)部鎖，或者Monitor鎖。
ObjectMonitor的工作原理：
ObjectMonitor有兩個隊列：WaitSet、EntryList，用來保存ObjectWaiter 對象列表。
_owner，獲取 Monitor 對象的線程進入 _owner 區(qū)時， _count + 1。如果線程調(diào)用了wait() 方法，此時會釋放Monitor 對象， _owner 恢復為空， _count - 1。同時該等待線程進入 _WaitSet 中，等待被喚醒。
-同步是鎖住的

• monitorenter，在判斷擁有同步標識 ACC_SYNCHRONIZED 搶先進入此方法的線程會優(yōu)先擁有 Monitor 的owner ，此時計數(shù)?+1。
• monitorexit，當執(zhí)行完退出后，計數(shù)?-1，歸 0 后被其他進入的線程獲得

4.除了原子性，synchronized的可見性和有序性，可重入性怎么實現(xiàn)

1. 可見性：線程加鎖前，將清空工作內(nèi)存中共享變量的值，從而使用共享變量的時候，需要從主內(nèi)存中重新讀取最新的值。線程加鎖后，其他線程無法獲得主內(nèi)存中的共享變量的值，線程解鎖前必須把共享變量的最新值刷新到主內(nèi)存中。
2. 有序性：synchronized同步的代碼塊具有排他性，一次只能被一個線程擁有，所以可以保證同一個時刻，代碼是單線程執(zhí)行的，因為as-if-serial存在，單線程語句是能夠保證最終結(jié)果是有序的，但是不保證不會進行指令重排，所以synchronized是保證有序是執(zhí)行結(jié)果的有序而不是防止指令重排的有序性。
3. 可重入性：synchronized是可重入鎖，也就說允許一個線程二次請求自己持有的鎖的臨界資源，這種情況就是可重入鎖，鎖對象有個計數(shù)器，會記錄線程獲取鎖的次數(shù)，當執(zhí)行完對應的代碼后，計數(shù)器就會減去1，只有歸零就會釋放鎖。之所以可以重入就是因為這個計數(shù)器。

5.synchronized和ReentrantLock的區(qū)別

可從鎖的實現(xiàn)、功能特點、性能維度等分析

• 鎖的實現(xiàn)：synchronized是通過jvm實現(xiàn)，是java的關鍵字；而reentrantlock是通過jdk層面的api實現(xiàn)的的（一般是lock（）和unlock（）方法配合try/catch/finally語句實現(xiàn)）

• 性能：jdk1.6前synchronized性能比較差，應該都是要通過底層調(diào)用，但是1.6以后增加了適應性自旋，鎖消除等，兩者性能差不多。

• 功能特點：-

  • ReentrantLock比synchronized增加了一些高級功能，如等待中斷，可實現(xiàn)公平鎖，可實現(xiàn)選擇性通知；
  • synchronized只能是非公平鎖（內(nèi)部鎖），- ReentrantLock可以指定是公平還是非公平（公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖）；
  • synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結(jié)合實現(xiàn)等待/通知機制，ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實現(xiàn)。
  • ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖

二、鎖類型

鎖可以分為

• 悲觀、樂觀鎖
• 獨享、共享鎖
• 互斥鎖、讀寫鎖
• 可重入鎖
• 公平鎖、非公平鎖
• 分段鎖
• 偏向鎖，輕量級鎖、重量級鎖
• 自旋鎖

以上是鎖的名詞，有的是指鎖的狀態(tài)，有的是鎖特性或者設計。

1.樂觀鎖、悲觀鎖

樂觀鎖和悲觀鎖并不是兩種特定類型鎖，是人們定義的概念或者思想。主要是指人們看待同步的角度。

• 樂觀鎖：顧名思義就是樂觀的認為每次取數(shù)據(jù)，別人都不會修改，所以不上鎖，但是在更新的時候會去判斷在此期間別人有沒有取更新這個數(shù)據(jù)，可以使用版本號等機制，樂觀鎖適用于多讀的應用程序，這樣可以提高吞吐量，在java中原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實現(xiàn)方式CAS（compare and swap 比較并交換）來實現(xiàn)的
• 悲觀鎖：總是假設每次去獲取數(shù)據(jù)，都認為別人會修改，所以每次拿取數(shù)據(jù)都會進行上鎖，這樣別人拿取數(shù)據(jù)就會阻塞，直到拿到鎖才行，比如Java里面的關鍵字synchronized實現(xiàn)就是悲觀鎖，悲觀鎖適合寫操作多的場景。

①. 樂觀鎖：樂觀鎖適合讀多的場景，不加鎖會代理大量的性能提升 ，在java編程中是無鎖編程，常常采用的是CAS算法。典型的例子就是原子類，通過CAS自旋實現(xiàn)原子的更新操作。
樂觀鎖更新判斷其他線程有沒有更新共享變量 一般采用數(shù)據(jù)版本機制或者CAS操作實現(xiàn)
（1）：數(shù)據(jù)版本機制：一般兩種方式，一種是使用版本號，另一個是使用時間戳方式。
版本號方式：一般是在數(shù)據(jù)表上加上一個數(shù)據(jù)版本號version字段，表示更新的次數(shù)，當數(shù)據(jù)被更新的時候計數(shù)加一，當線程A更新數(shù)據(jù)時候，會在讀取數(shù)據(jù)的同時也會讀取version字段，在更新提交的時候，若剛才的讀取的version和數(shù)據(jù)庫中的version相等才會更新，否則會重新進行更新操作。直到更新成功。

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

（2）：CAS操作：當多個線程嘗試使用CAS同時更新一個變量時候，只有一個線程能夠更新變量，其他線程并不會被掛起，會收到通知失敗，并可以再次嘗試。
CAS需要三個字段值：1.需要讀寫的內(nèi)存位置（V）、進行比較的預期原值（A）和擬寫入的新值（B），如果內(nèi)存位置的V值和預期原值A想匹配，那么就會更新B，否則不做變動。

②：悲觀鎖：悲觀鎖認為對于同一個數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定會發(fā)生修改的，哪怕沒有修改，也會認為修改。因此對于同一份數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，悲觀鎖采取加鎖的形式。悲觀的認為，不加鎖并發(fā)操作一定會出問題。在對任意記錄進行修改前，先嘗試為該記錄加上排他鎖（exclusive locking）。如果加鎖失敗，說明該記錄正在被修改，那么當前查詢可能要等待或者拋出異常。具體響應方式由開發(fā)者根據(jù)實際需要決定。如果成功加鎖，那么就可以對記錄做修改，事務完成后就會解鎖了。期間如果有其他對該記錄做修改或加排他鎖的操作，都會等待我們解鎖或直接拋出異常。

2.獨享鎖、共享鎖

獨享鎖是指該鎖只能被一個線程獲取，共享鎖是指該鎖可以被多個線程持有。
對于java而言ReentrantLock是獨享鎖，但是對于另一個lock的實現(xiàn)類ReadWriterLock來說，其讀是共享鎖，其寫是獨占鎖。獨享鎖和共享鎖是通過AQS來實現(xiàn)的，通過不同的方法，來實現(xiàn)獨享或者共享（synchronized是獨占鎖）

AQS：AbstractQueueSynchronized抽象同步隊列，簡稱AQS；它是java并發(fā)包的基礎，并發(fā)的鎖就是基于Aqs實現(xiàn)的。

• AQS是基于一個FIFO的雙向隊列，其內(nèi)部定義了一個node節(jié)點類，node節(jié)點內(nèi)部的SHARED用來標記該線程是獲取共享變量時被阻掛起后放入AQS隊列的，EXCLUSIVE用來標記線程是獨占資源時被掛起放入AQS隊列。

• AQS使用一個volatile修飾的int類型的成員變量state來表示同步狀態(tài)，修改同步狀態(tài)成功表示獲得鎖，volatile保證了變量在線程之間的可見性，修改state通過CAS機制來保證修改的原子性。

• 獲取state方式有兩種，獨占和共享。一個線程使用了獨占的方式，那么其他線程就失敗會被阻塞；一個線程使用共享時獲取資源，另一個線程還可以通過CAS的方式進行獲取。

• 如果共享資源被占用，需要一定的阻塞等待喚醒機制來保證鎖的分配，AQS會將獲取共享資源失敗的線程添加到一個變體的CLH中。

• 

  AQS中的ClH變體等待隊列特性

• AQs中隊列是個雙鏈表，也是符合FIFO先進先出的特性。

• 通過head、tail兩個頭尾節(jié)點來組成隊列結(jié)構(gòu)，通過volatile來保證可見性。

• Head指向的節(jié)點本身已經(jīng)獲得了鎖，是一個虛擬節(jié)點，節(jié)點本身不具備具體線程

• 獲取不到同步狀態(tài)，會將節(jié)點進行自旋獲取鎖，自旋一定次數(shù)失敗后，會將線程阻塞，相對于CLH隊列性能較好。

3.互斥鎖/讀寫鎖

• 講的獨享鎖/共享鎖就是一種廣義的說法，互斥鎖/讀寫鎖就是具體的實現(xiàn)。
• 互斥鎖在Java中的具體實現(xiàn)就是ReentrantLock。
• 讀寫鎖在Java中的具體實現(xiàn)就是ReadWriteLock：對資源讀取和寫入的時候拆分為2部分處理，讀的時候可以多線程一起讀，寫的時候必須同步地寫。

4.可重入鎖：可重入鎖又名遞歸鎖，是指在同一個線程在外層獲鎖的時候，在進入內(nèi)存自動獲取鎖。也就是在執(zhí)行對象中所有的同步方法不用再次獲取鎖?！τ贘ava ReetrantLock而言，從名字就可以看出是一個重入鎖，其名字是Reentrant Lock 重新進入鎖。對于Synchronized而言，也是一個可重入鎖。可重入鎖的一個好處是可一定程度避免死鎖。

synchronized void setA() throws Exception{Thread.sleep(1000);setB();
}synchronized void setB() throws Exception{Thread.sleep(1000);
}
上面的代碼就是一個可重入鎖的一個特點。如果不是可重入鎖的話，setB可能不會被當前線程執(zhí)行，可能造成死鎖。

4. 公平鎖和非公平鎖

• 公平鎖是指多個線程按照鎖的申請順序來獲取鎖，按等待時間來獲取鎖，等待時間長的線程有優(yōu)先獲取鎖的權利。
• 非公平鎖就是不是獲取鎖的順序不是按照申請鎖的順序，有可能后申請的先執(zhí)行，有可能會造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)或者饑餓現(xiàn)象。
• 對于Java ReetrantLock而言，通過構(gòu)造函數(shù)指定該鎖是否是公平鎖，默認是非公平鎖。非公平鎖的優(yōu)點在于吞吐量比公平鎖大。
• 對于Synchronized而言，也是一種非公平鎖。由于其并不像ReentrantLock是通過AQS的來實現(xiàn)線程調(diào)度，所以并沒有任何辦法使其變成公平鎖。

5.分段鎖

分段鎖是一種設計，并不是具體的一種鎖，對于ConcurrentHashMap而言是最好的例子，其并發(fā)就是通過分段式鎖來實現(xiàn)的

• ConcurrentHashMap實現(xiàn)原理：內(nèi)部分為了若干的小的hashmap，稱為段（segment），默認情況下一個ConcurrenthashMap
  分為16段，即就是鎖的并發(fā)度，如果需要在ConcurrenthashMap中添加key-value，并不是將整個都加鎖，而是 首先根據(jù)hashcode計算出key-value應該存放在那個段中，然后對該段加鎖，并完成put操作，在多線程操作中，如果多個線程進行put操作，只要被加入的key-value不在同一個段中，則線程就可以實現(xiàn)真正的并行。
• 線程安全：ConcurrentHashMap 是一個 Segment 數(shù)組， Segment 通過繼承ReentrantLock 來進行加鎖，所以每次需要加鎖的操作鎖住的是一個 segment，這樣只要保證每個 Segment 是線程安全的，也就實現(xiàn)了全局的線程安全

• 6.偏向鎖/輕量鎖/重量級鎖

java每個對象都可以作為鎖，鎖有四種基本：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖，并且鎖可以進行升級不能下降，這三種是指鎖的狀態(tài)，并且是針對synchronized的，是在java5，jdk1.6后引入實現(xiàn)高效升級synchronized,這三種鎖通過對象監(jiān)視器在對象頭中的字段表明。

• 偏向鎖：是指一段同步代碼一直被一個線程所訪問，那么該線程會自動獲取鎖。降低獲取鎖的代價。
  在一段時間內(nèi)，鎖不存在多線程競爭， 而是總是由同一個線程多次獲得，為了讓線程獲取鎖的代價更低就引入了偏向鎖的概念。怎么理解偏向鎖呢？ 當一個線程訪問加了同步鎖的代碼塊時，會在對象頭中存儲當前線程的 ID，后續(xù)這個線程進入和退出這段加了同步鎖的代碼塊時，不需要再次加鎖和釋放鎖。而是直接比較對象頭里面是否存儲了指向當前線程的偏向鎖。如果相等表示偏向鎖是偏向于當前線程的，就不需要再嘗試獲得鎖了。
• 輕量級鎖：是指當鎖是偏向鎖的時候，被另一個線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提高性能。
  -重量級鎖：是指當鎖為輕量級鎖的時候，另一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續(xù)下去，當自旋一定次數(shù)的時候，還沒有獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹為重量級鎖。重量級鎖會讓他申請的線程進入阻塞，性能降低。

7.自旋鎖

自旋鎖是一種技術，是為了讓線程等待，我們只需要讓線程執(zhí)行一個忙循環(huán)。自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會立即阻塞，而是采用循環(huán)的方式獲取鎖，這樣好處是減少線程上下文切換的消耗，缺點是循環(huán)會消耗cpu。
自旋鎖是一種非阻塞鎖，核心就是自旋兩個字，即用自旋代替阻塞操作，某一個線程嘗試獲取鎖的時候，如果該鎖已經(jīng)被另一個線程占用，那么這個這個線程將不斷循環(huán)進行檢查該鎖是否被釋放（（默認次數(shù)是10，可以使用-XX:PreBlockSpinsh參數(shù)設置該值）），而不是讓此線程掛起或者睡眠，一旦另一個線程釋放鎖那么此線程就會立即獲得鎖。自旋是一種忙等待狀態(tài)，過程會一直消耗cpu的時間片。

8.可中斷鎖

在等待鎖的過程中可以中斷。

9.死鎖

死鎖是一種現(xiàn)象，程A持有資源x，線程B持有資源y，線程A等待線程B釋放資源y，線程B等待線程A釋放資源x，兩個線程都不釋放自己持有的資源，則兩個線程都獲取不到對方的資源，就會造成死鎖。
死鎖不能自行打破，所以線程死鎖后，線程不能進行響應，所以要注意線程的使用并發(fā)場景。

死鎖形成條件

1. 互斥條件：指線程對已經(jīng)獲取到的資源進行排他性使用。
2. 請求并持有：指一個線程已經(jīng)持有了最少一個資源，但是有提出來新的資源請求，而新資源已經(jīng)被其他線程給占用，所以當前線程會被阻塞，但阻塞的同時不會釋放自己持有的資源。
3. 不可剝奪條件：指線程獲取到的資源在自己使用完成之前不能被其它線程搶占，只能是自己在使用完畢后由自己進行釋放。
4. 環(huán)路等待條件：指發(fā)生死鎖的時候，必然形成了一個線程------資源的環(huán)形鏈。

如何破壞避免形成死鎖呢：

1. 條件1互斥條件肯定不能破壞，只能是下面三個條件進行破壞
2. 請求并持有，我們可以一次性請求所有的數(shù)據(jù)。
3. 對于不可剝奪條件，占用部分資源進一步申請其他資源的時候，如果申請不到，可以主動釋放它占有的資源，這樣不可搶占這個條件就失效了。
4. 對于環(huán)路等待條件可以按順序進行申請資源來預防。

如何排查
可以使用jdk自帶的工具排查：

• 1.使用jps查找運行的java進程：jsp -1
• 2.使用jstack查看線程堆棧信息
• 3.可以利用圖形化工具Jconsole，出現(xiàn)死鎖點擊面板就能看見

三、 總結(jié)