java中的锁

1.为什么要加锁？
(1)原因：
在并发编程中，经常会遇到多个线程访问同一个共享变量，当同时对共享变量进行读写操作时，就会产生数据不一致的情况。
(2)解决方案：
JDK 1.5 之前，使用 synchronized 关键字，拿到 Java 对象的锁，保护锁定的代码块。JVM 保证同一时刻只有一个线程可以拿到这个 Java 对象的锁，执行对应的代码块。
JDK 1.5 开始，引入了并发工具包 java.util.concurrent.locks.Lock，让锁的功能更加丰富。

2.锁的类型

（1）悲观锁
总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。
（2）乐观锁
总是假设最好的情况，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，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

两种锁的使用场景：
从上面对两种锁的介绍，我们知道两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景），即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

（3）自旋锁
自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环占有、浪费 CPU 资源。

3.CAS算法
（1）CAS即compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。
（2）CAS算法涉及到三个操作数：
①需要读写的内存值 V
②进行比较的值 A
③拟写入的新值 B
当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。
（3）CAS中的问题
①ABA问题？
如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。
解决方案：加一个版本号
举一个简单的例子：
假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。当需要对账户信息表进行更新的时候，需要首先读取version字段。
操作员 A 此时将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。
在操作员 A 操作的过程中，操作员B 也读入此用户信息（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。
操作员 A 完成了修改工作，提交更新之前会先看数据库的版本和自己读取到的版本是否一致，一致的话，就会将数据版本号加1（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本大于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
操作员 B 完成了操作，提交更新之前会先看数据库的版本和自己读取到的版本是否一致，但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 2 ，而自己读取到的版本号为1 ，不满足 “ 当前最后更新的version与操作员第一次读取的版本号相等 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。
②CAS操作本身的原子性保障？
底层指令前加上了lock，底层其实也是悲观锁。

4.锁的状态
（1）锁的状态总共有四种:无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁
①锁的级别从低到高：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
②锁只能升级，不能降级。也就是锁随着场景变更，可以发生 无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁的变换，但是不能降级。

（2）对象在内存中的存储布局
①mark word ：锁的信息、GC（cms过程用到的标记信息）、hashcode
②class pointer（类型指针）
③instance data（实例数据）
④padding（对齐）
（3）Mark Word在不同锁状态下的标志位存储

5.synchronized
（1）Java并发编程这个领域中synchronized关键字一直都是元老级的角色，很久之前很多人都会称它为 “重量级锁” 。但是，在JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的 偏向锁 和 轻量级锁 以及其它各种优化之后变得在某些情况下并不是那么重了。
（2）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。
（3）synchronized和lock有什么区别？
①lock更加灵活
②lock支持公平锁（顺序进入）