Java中的鎖主要分為悲觀鎖與樂觀鎖、公平鎖與非公平鎖、可重入鎖與不可重入鎖、獨占鎖與共享鎖等類型。1.悲觀鎖如synchronized和reentrantlock適用于寫多場景，每次操作都加鎖保證數據一致性；2.樂觀鎖通過版本號或cas實現，適用于讀多寫少的場景，提高吞吐量；3.公平鎖按申請順序獲取鎖避免饑餓現象，但性能較低，而非公平鎖效率高但可能導致線程饑餓；4.可重入鎖允許同一線程多次獲取同一把鎖，避免死鎖，如synchronized和reentrantlock；5.獨占鎖一次只能被一個線程持有，而共享鎖允許多個線程同時訪問，如readwritelock的讀鎖；6.自旋鎖通過循環等待鎖釋放，適用于鎖持有時間短的場景；7.jvm還對鎖進行了優化，引入了鎖升級機制，包括偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖，根據競爭激烈程度進行狀態轉換，以提升性能。
Java中的鎖種類繁多，理解它們能幫助我們寫出更高效、更可靠的并發程序。簡單來說，可以從不同的維度進行分類，比如悲觀鎖/樂觀鎖、公平鎖/非公平鎖、可重入鎖/不可重入鎖、獨占鎖/共享鎖等等。掌握這些鎖的特性，才能在實際場景中選擇最合適的鎖，避免死鎖和性能瓶頸。
悲觀鎖與樂觀鎖的本質區別和應用場景
悲觀鎖，顧名思義，總是假設最壞的情況，每次去拿數據的時候都認為別人會修改，所以每次在拿數據的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數據就會阻塞直到它拿到鎖。Java中synchronized和ReentrantLock等獨占鎖就是悲觀鎖思想的實現。悲觀鎖適用于寫操作非常多的場景，先加鎖可以保證寫操作時數據正確。
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樂觀鎖則相對樂觀，它假設數據一般情況下不會造成沖突，所以在數據進行提交更新的時候，才會正式對數據的沖突與否進行檢測，如果發現沖突了，則返回用戶錯誤的信息，讓用戶決定如何去做。樂觀鎖的實現方式通常是使用版本號機制或者CAS算法。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實現方式：CAS實現的。樂觀鎖適用于讀多寫的場景，這樣可以提高程序的吞吐量。
公平鎖與非公平鎖的區別與選擇
公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖，類似排隊，先到先得。而非公平鎖則允許線程“插隊”，即后來的線程可能比先來的線程更快獲取到鎖。
Java中的ReentrantLock可以通過構造函數指定是否為公平鎖。默認情況下，ReentrantLock是非公平鎖。synchronized也是一種非公平鎖。
公平鎖的優點是避免了“饑餓”現象，每個線程都有機會獲得鎖。缺點是效率相對較低，因為需要維護一個等待隊列，并且線程切換的開銷也比較大。非公平鎖的優點是效率高，吞吐量大，但缺點是可能導致某些線程長時間無法獲取到鎖，產生“饑餓”現象。
實際應用中，如果對公平性要求不高，優先選擇非公平鎖，以提高性能。如果需要保證每個線程都有機會執行，避免“饑餓”，則選擇公平鎖。
可重入鎖與不可重入鎖：理解鎖的嵌套使用
可重入鎖是指，當一個線程已經獲取到鎖之后，允許它再次獲取該鎖，而不需要釋放之前的鎖。這意味著同一個線程可以多次進入被該鎖保護的代碼塊。
Java中的synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖。可重入鎖避免了死鎖的發生，例如：
public class ReentrantLockExample { ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void outer() { lock.lock(); try { System.out.println("Outer method acquired lock"); inner(); } finally { lock.unlock(); System.out.println("Outer method released lock"); } } public void inner() { lock.lock(); try { System.out.println("Inner method acquired lock"); } finally { lock.unlock(); System.out.println("Inner method released lock"); } } public static void main(String[] args) { ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample(); example.outer(); } }
如果ReentrantLock不是可重入鎖，那么inner方法在嘗試獲取鎖時，會因為鎖已經被outer方法持有而阻塞，導致死鎖。
獨占鎖與共享鎖：控制資源訪問權限
獨占鎖（也稱為互斥鎖）是指一次只能被一個線程持有的鎖。當一個線程獲取了獨占鎖之后，其他線程必須等待該線程釋放鎖才能獲取。Java中的synchronized和ReentrantLock都是獨占鎖。
共享鎖是指可以被多個線程同時持有的鎖。多個線程可以并發地讀取被共享鎖保護的資源，但如果需要修改資源，則必須獲取獨占鎖。Java中的ReadWriteLock接口提供了讀寫鎖的實現，讀鎖是共享鎖，寫鎖是獨占鎖。
讀寫鎖適用于讀多寫少的場景，可以提高程序的并發性能。多個線程可以同時讀取數據，只有在寫數據時才需要進行互斥。
深入理解自旋鎖：優化短時間鎖競爭場景
自旋鎖是一種特殊的鎖，它不會讓線程進入阻塞狀態，而是讓線程循環等待鎖的釋放。當鎖被其他線程持有時，嘗試獲取鎖的線程會不斷地循環檢查鎖是否可用，直到獲取到鎖為止。
自旋鎖適用于鎖的持有時間非常短的場景。如果鎖的持有時間較長，自旋鎖會導致線程一直占用CPU資源，造成性能浪費。
Java中并沒有直接提供自旋鎖的實現，但可以使用CAS算法來實現簡單的自旋鎖。例如：
public class SpinLock { private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>(); public void lock() { Thread current = Thread.currentThread(); while (!owner.compareAndSet(null, current)) { // 自旋等待 } } public void unlock() { Thread current = Thread.currentThread(); owner.compareAndSet(current, null); } }
CAS算法的性能取決于CPU的架構和鎖競爭的激烈程度。在高并發場景下，CAS算法可能會出現大量的沖突，導致性能下降。
鎖升級：從偏向鎖到重量級鎖
為了提高鎖的性能，JVM對鎖進行了優化，引入了鎖升級的概念。鎖升級是指鎖的狀態會根據鎖競爭的激烈程度進行升級，從低級別的鎖到高級別的鎖。
鎖的級別從低到高依次為：偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
- 偏向鎖：當一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭中記錄該線程的ID。以后該線程再次進入同步塊時，不需要進行任何同步操作，直接可以獲取鎖。偏向鎖適用于只有一個線程訪問同步塊的場景。
- 輕量級鎖：當多個線程嘗試獲取同一個鎖時，偏向鎖會升級為輕量級鎖。輕量級鎖使用CAS算法來嘗試獲取鎖，如果獲取失敗，則會自旋等待。輕量級鎖適用于鎖競爭不激烈的場景。
- 重量級鎖：當輕量級鎖自旋等待一定次數后仍然無法獲取鎖，或者有其他線程已經持有鎖時，輕量級鎖會升級為重量級鎖。重量級鎖會讓線程進入阻塞狀態，等待鎖的釋放。重量級鎖適用于鎖競爭激烈的場景。
理解鎖升級的過程，可以幫助我們更好地理解JVM的鎖優化機制，并根據實際場景選擇合適的鎖。
