java锁机制

场景

当多个请求同时操作数据库的时候，首先将订单状态改为已支付，在对应的金额上加上200，在同事并发场景查询条件会造成重复通知，也就是会出现数据“脏读”的问题。

排它锁

引用百度百科里面的一句话
若事务T对数据对象A加上X锁，则只允许T读取和修改A，其他任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁。这就保证了其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A。

悲观锁与乐观锁

悲观锁：之所以称悲观锁，就是该锁认为每次操作数据都会造成数据更新丢失的问题，每此查询时加上排它锁。
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会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。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，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
select * from xxx for update
乐观锁： 乐观锁会认为每次查询都不会造成更新丢失，利用版本控制实现。
通常实现是这样的：在表中的数据进行操作时(更新)，先给数据表加一个版本(version)字段，每操作一次，将那条记录的版本号加1。也就是先查询出那条记录，获取出version字段,如果要对那条记录进行操作(更新),则先判断此刻version的值是否与刚刚查询出来时的version的值相等，如果相等，则说明这段期间，没有其他程序对其进行操作，则可以执行更新，将version字段的值加1；如果更新时发现此刻的version值与刚刚获取出来的version的值不相等，则说明这段期间已经有其他程序对其进行操作了，则不进行更新操作。

举例：
下单操作包括3步骤：
1.查询出商品信息
select (status,status,version) from t_goods where id=#{id}
2.根据商品信息生成订单
3.修改商品status为2（已支付）
update t_goods
set status=2,version=version+1
where id=#{id} and version=#{version};

重入锁

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。
重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。
在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

public class Test implements Runnable {
    public  synchronized void get() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");
        set();
    }

    public synchronized  void set() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
    }

    @Override

    public void run() {
        get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test ss = new Test();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

public class Test02 extends Thread {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
        lock.unlock();
    }
    public void set() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        lock.unlock();
    }
    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test ss = new Test();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

读写锁

两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写 。也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。
下面看一个不加读写锁会出现的情况

public class WriteAndReadLock {
    static volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    public static void put(String key, Object value) {
        System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(key, value);
        System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
        System.out.println();
    }
    public static final Object get(String key) {
        System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Object object = map.get(key);
        System.out.println("正在做读的操作,key:" + key +"value:"+object+ " 结束");
        System.out.println();
        return object;
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                WriteAndReadLock.put(i + "", i + "");
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                WriteAndReadLock.get(i + "");
            }
        }).start();
    }
}

运行结果：

image.png

从运行结果中可以明显看出来当在写key=8 的时候，还没有写完，这个时候读的线程便开始读。写线程在对数据进行写入的操作时，读线程对其进行了干扰，导致数据出现问题。
下面看看通过加读写锁来解决这一问题。

public class WriteAndReadLock {
    static volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    //读写锁
    static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

    public static void put(String key, Object value) {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
            Thread.sleep(100);
            map.put(key, value);
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
            System.out.println();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
    public static final void get(String key) {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
            Thread.sleep(100);
            Object object = map.get(key);
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + "value:" + object + " 结束");
            System.out.println();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                WriteAndReadLock.put(i + "", i + "");
            }

        }).start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                WriteAndReadLock.get(i + "");
            }

        }).start();
    }
}

结果

image.png

在上述代码中也可以使用synchronized 同步函数也能保证读写分离互不干扰。

synchronized和ReentrantLock的对比
到现在，看到多线程中，锁定的方式有2种：synchronized和ReentrantLock。两种锁定方式各有优劣，下面简单对比一下：
1、synchronized是关键字，就和if...else...一样，是语法层面的实现，因此synchronized获取锁以及释放锁都是Java虚拟机帮助用户完成的；ReentrantLock是类层面的实现，因此锁的获取以及锁的释放都需要用户自己去操作。特别再次提醒，ReentrantLock在lock()完了，一定要手动unlock()
2、synchronized简单，简单意味着不灵活，而ReentrantLock的锁机制给用户的使用提供了极大的灵活性。这点在Hashtable，ConcurrentHashMap中体现得淋漓尽致。synchronized一锁就锁整个Hash表，而ConcurrentHashMap则利用ReentrantLock实现了锁分离，锁的只是segment而不是整个Hash表
3、synchronized是不公平锁，而ReentrantLock可以指定锁是公平的还是非公平的
4、synchronized实现等待/通知机制通知的线程是随机的，ReentrantLock实现等待/通知机制可以有选择性地通知
5、和synchronized相比，ReentrantLock提供给用户多种方法用于锁信息的获取，比如可以知道lock是否被当前线程获取、lock被同一个线程调用了几次、lock是否被任意线程获取等等
总结起来，我认为如果只需要锁定简单的方法、简单的代码块，那么考虑使用synchronized，复杂的多线程处理场景下可以考虑使用ReentrantLock。当然这只是建议性地，还是要具体场景具体分析的。

CAS无锁机制

1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
（2）无锁的好处：
第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
第二，它天生就是死锁免疫的。
就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。
（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

image.png

在jdk1.5并发包中的AtomicInteger 这个类底层就是用的CAS无所机制来保证原子性的。

    /** 
     * Atomically increments by one the current value. 
     * 
     * @return the updated value 
     */  
    public final int incrementAndGet() {  
        for (;;) {  
            //获取当前值  
            int current = get();  
            //设置期望值  
            int next = current + 1;  
            //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  
            if (compareAndSet(current, next))  
                //成功后才会返回期望值，否则无线循环  
                return next;  
        }  
    }  

自旋锁

自旋锁是一种用于保护多线程共享资源的锁，与一般互斥锁（mutex）不同之处在于当自旋锁尝试获取锁时以忙等待（busy waiting）的形式不断地循环检查锁是否可用。
在多CPU的环境中，对持有锁较短的程序来说，使用自旋锁代替一般的互斥锁往往能够提高程序的性能

自旋锁和互斥锁的区别

下该段内容引自http://blog.chinaunix.net/uid-28711483-id-4995776.html
从实现原理上来讲，Mutex属于sleep-waiting类型的 锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B)，它们分别运行在Core0和Core1上。假设线程A想要通过 pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞(blocking)，Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中，此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而Spin lock则不然，它属于busy-waiting类型的锁，如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁，那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。
如果大家去查阅Linux glibc中对pthreads API的实现NPTL(Native POSIX Thread Library) 的源码的话(使用”getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION”命令可以得到我们系统中NPTL的版本号)，就会发现pthread_mutex_lock()操作如果 没有锁成功的话就会调用system_wait()的系统调用并将当前线程加入该mutex的等待队列里。而spin lock则可以理解为在一个while(1)循环中用内嵌的汇编代码实现的锁操作(印象中看过一篇论文介绍说在linux内核中spin lock操作只需要两条CPU指令，解锁操作只用一条指令就可以完成)。有兴趣的朋友可以参考另一个名为sanos的微内核中pthreds API的实现：mutex.c spinlock.c，尽管与NPTL中的代码实现不尽相同，但是因为它的实现非常简单易懂，对我们理解spin lock和mutex的特性还是很有帮助的。
对于自旋锁来说，它只需要消耗很少的资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，它就会一直重复检查看锁是否可用了，也就是说当自旋锁处于等待状态时它会一直消耗CPU时间。
对于互斥锁来说，与自旋锁相比它需要消耗大量的系统资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，线程的调度状态被修改，并且线程被加入等待线程队列；最后当锁可用 时，在获取锁之前，线程会被从等待队列取出并更改其调度状态；但是在线程被阻塞期间，它不消耗CPU资源。
因此自旋锁和互斥锁适用于不同的场景。自旋锁适用于那些仅需要阻塞很短时间的场景，而互斥锁适用于那些可能会阻塞很长时间的场景。

分布式锁

如果想在不同的jvm中保证数据同步，使用分布式锁技术。
有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁、redis分布式锁等