基础知识之一：锁的类型

锁从宏观上分类，分为悲观锁与乐观锁。

乐观锁

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，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，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。

Java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

Java中乐观锁的案例

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表实现，它使用分离锁（Segment）来保证线程安全。每个Segment都是一个独立的哈希表，每个操作只锁定相关的Segment，因此可以支持更高的并发性。

ConcurrentHashMap使用了一种基于CAS的技术来实现乐观锁，它通过比较当前的value和预期的value是否相等来判断是否存在冲突。如果存在，则返回失败；如果不存在，则执行更新操作。

LongAdder

在 JDK1.8 中，Java 提供了一个新的原子类 LongAdder。LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好，代价就是会消耗更多的内存空间。

LongAdder 的原理就是降低操作共享变量的并发数，也就是将对单一共享变量的操作压力分散到多个变量值上，将竞争的每个写线程的 value 值分散到一个数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的 value 值进行 CAS 操作，最后在读取值的时候会将原子操作的共享变量与各个分散在数组的 value 值相加，返回一个近似准确的数值。

数据库并发控制

在日常开发中，使用乐观锁最常见的场景就是数据库的更新操作了。

为了保证操作数据库的原子性，我们常常会为每一条数据定义一个版本号，并在更新前获取到它，到了更新数据库的时候，还要判断下已经获取的版本号是否被更新过，如果没有，则执行该操作。

CAS 乐观锁在平常使用时比较受限，它只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS 就无能为力了。

悲观锁

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。Java中的悲观锁就是Synchronized, AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如RetreenLock。

Java中的锁机制

在 Java 中主要2种加锁机制:

1. synchronized 关键字

2. java.util.concurrent.Lock （Lock是一个接口，ReentrantLock是该接口一个很常用的实现）

这两种机制的底层原理存在一定的差别

• synchronized 关键字通过一对字节码指令 monitorenter/monitorexit 实现， 这对指令被 JVM 规范所描述。
• java.util.concurrent.Lock 通过 Java 代码搭配sun.misc.Unsafe 中的本地调用实现的

基础知识之二：Java线程阻塞的代价

java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

• 如果线程状态切换是一个高频操作时，这将会消耗很多CPU处理时间；

• 如果对于那些需要同步的简单的代码块，获取锁挂起操作消耗的时间比用户代码执行的时间还要长，这种同步策略显然非常糟糕的。

synchronized会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态，所以说它是java语言中一个重量级的同步操纵，被称为重量级锁，为了缓解上述性能问题，JVM从1.6开始，引入了轻量锁与偏向锁，默认启用了自旋锁，他们都属于乐观锁。

明确java线程切换的代价，是理解java中各种锁的优缺点的基础之一。

基础知识之三：Mark word

Java对象结构

在讲到锁之前，先来简单了解一下Java的对象结构。Java的对象结构主要包括对象头，实例数据，对齐填充三大部分。

对象头

对象头中存储了对象的Mark word，类型指针（元数据指针，指向方法区中的类元信息）和数组长度（只有当前对象为数组对象时才会有）。而Mark word又包括对象的Hashcode码，对象的分代年龄，对象的偏向锁ID，获取偏向锁的时间戳，锁标志位等。

Mark word主要用于存储对象自身运行时的数据，并且Mark word字段的长度与JVM的位数有关，32位的JVM虚拟机中Mark word占用32位的存储空间，64位的JVM虚拟机中占用64位的储存空间。

以32位的JVM虚拟机为例：

• 是否是偏向锁表示：当值为0时，标记对象没有开启偏向锁，值为1表示开启了偏向锁。
• 锁标志位表示：当前线程拥有的锁，不同状态下拥有的锁不同。
• 对象分代年龄表示：当JVM发生GC垃圾回收时，新生代未被回收的对象在Eden区和Survivor之间的复制，每次复制是的分代年龄+1，默认情况下分代年龄达到15会被移到老年代区域，当然这个参数也可以自行设置。
• 对象的Hashcode值：主要存储对象的Hashcode值。
• 线程ID：表示在偏向锁状态下，持有偏向锁的线程编号。
• 指向栈中锁记录的指针：在轻量级锁状态下，指向栈中所记录的指针。
• 指向（互斥量）重量级锁的指针：在重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。

实例数据

实例数据主要存储了对象的成员变量信息，比如成员变量的具体值，父类成员变量的具体值等。

对象填充

在HotSpot虚拟机中，对象的起始地址必须为8的整数倍，如果当前对象的实例变量占用的储存空间不是8的整数倍，则需要使用填充数据来保证对齐。

基础知识之四：JVM锁升级机制

synchronized 关键字之锁的升级（偏向锁->轻量级锁->重量级锁）

synchronized详解：https://juejin.cn/post/6977744582725681182

前面提到过， synchronized 代码块是由一对 *monitorenter/moniterexit * 字节码指令实现， monitor 是其同步实现的基础， Java SE1.6 为了改善性能， 使得 JVM 会根据竞争情况， 使用如下 3 种不同的锁机制

1. 偏向锁（Biased Lock ）
2. 轻量级锁（ Lightweight Lock）
3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

上面几种锁都是JVM自己内部实现，当我们执行synchronized同步块的时候jvm会根据启用的锁和当前线程的争用情况，决定如何执行同步操作。这三种机制的切换是根据竞争激烈程度进行， 在几乎无竞争的条件下， 会使用偏向锁， 在轻度竞争的条件下， 会由偏向锁升级为轻量级锁， 在重度竞争的情况下， 会升级到重量级锁。

synchronized的执行过程：

1. 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
2. 如果不是，则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志位1
3. 如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，当前线程获得锁
5. 如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
6. 如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
7. 如果自旋失败，则升级为重量级锁。

详细图

简略图