理解鎖的基本知識
1. 鎖的類型
鎖從宏觀上分類，分為悲觀鎖與樂觀鎖畏纲。
樂觀鎖
樂觀鎖是一種樂觀思想凉唐，即認(rèn)為讀多寫少，遇到并發(fā)寫的可能性低霍骄，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人不會修改台囱，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數(shù)據(jù)读整，采取在寫時先讀出當(dāng)前版本號簿训，然后加鎖操作（比較跟上一次的版本號，如果一樣則更新）米间，如果失敗則要重復(fù)讀-比較-寫的操作强品。
java 中的樂觀鎖基本都是通過 CAS 操作實現(xiàn)的，CAS 是一種更新的原子操作屈糊，比較當(dāng)前值跟傳入值是否一樣的榛，一樣則更新，否則失敗逻锐。悲觀鎖
悲觀鎖是就是悲觀思想夫晌，即認(rèn)為寫多雕薪，遇到并發(fā)寫的可能性高，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人會修改晓淀，所以每次在讀寫數(shù)據(jù)的時候都會上鎖所袁，這樣別人想讀寫這個數(shù)據(jù)就會 block 直到拿到鎖。java 中的悲觀鎖就是Synchronized凶掰，AQS 框架下的鎖則是先嘗試 CAS 樂觀鎖去獲取鎖燥爷，獲取不到，才會轉(zhuǎn)換為悲觀鎖懦窘，如ReentrantLock前翎。
2. Java 線程阻塞的代價
java 的線程是映射到操作系統(tǒng)原生線程之上的，如果要阻塞或喚醒一個線程就需要操作系統(tǒng)介入畅涂，需要在用戶態(tài)與核心態(tài)之間切換港华，這種切換會消耗大量的系統(tǒng)資源，操作系統(tǒng)的這種切換操作稱之為互斥(mutex)毅戈。
JDK1.6之前，Synchronized會導(dǎo)致爭用不到鎖的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)愤惰，被稱為重量級鎖苇经，為了緩解上述性能問題，JVM 從1.6開始宦言，對Synchronized關(guān)鍵字做了優(yōu)化扇单，引入了輕量鎖與偏向鎖，默認(rèn)啟用了自旋鎖奠旺，他們都屬于樂觀鎖蜘澜。
3. markword
HotSpot 虛擬機的對象頭包括兩部分信息
- markword：用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）响疚、GC分代年齡鄙信、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖忿晕、偏向線程ID装诡、偏向時間戳等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機（未開啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit践盼，官方稱它為“MarkWord”鸦采。
- klass：對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例咕幻。
上圖中，我們提到了 java 的4種鎖吐限，他們分別是重量級鎖鲜侥、自旋鎖、輕量級鎖和偏向鎖诸典。不同的鎖有不同的特點描函，每種鎖只有在其特定的場景下，才會有出色的表現(xiàn)狐粱，java 中沒有哪種鎖能夠在所有情況下都能有出色的效率舀寓，引入這么多鎖的原因就是為了應(yīng)對不同的場景。
前面講到了重量級鎖是悲觀鎖的一種肌蜻，自旋鎖互墓、輕量級鎖與偏向鎖屬于樂觀鎖。下面我們具體來分析下他們的特效蒋搜；
自旋鎖
自旋鎖原理非常簡單篡撵，如果持有鎖的線程能在很短時間內(nèi)釋放鎖資源，那么那些等待競爭鎖的線程就不需要做內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換進(jìn)入阻塞掛起狀態(tài)豆挽，它們只需要等一等（自旋）育谬，等持有鎖的線程釋放鎖后即可立即獲取鎖，這樣就避免用戶線程和內(nèi)核的切換的消耗帮哈。
但是線程自旋是需要消耗 cup 的膛檀，說白了就是讓 cup 在做無用功，如果一直獲取不到鎖娘侍，那線程也不能一直占用 cup 自旋做無用功咖刃，所以需要設(shè)定一個自旋等待的最大時間。
如果持有鎖的線程執(zhí)行的時間超過自旋等待的最大時間扔沒有釋放鎖憾筏，就會導(dǎo)致其它爭用鎖的線程在最大等待時間內(nèi)還是獲取不到鎖嚎杨，這時爭用線程會停止自旋進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
JVM 對于自旋周期的選擇氧腰，jdk1.6前這個限度是一定的寫死的磕潮，在1.6后引入了適應(yīng)性自旋鎖，適應(yīng)性自旋鎖意味著自旋的時間不再是固定的了容贝，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定自脯。線程如果自旋成功了，則下次自旋的次數(shù)會更多斤富，如果自旋失敗了膏潮，則自旋的次數(shù)就會減少。
重量級鎖 Synchronized
Synchronized 的作用相信大家都已經(jīng)非常熟悉了满力；
它可以把任意一個非NULL的對象當(dāng)作鎖：
- 作用于方法焕参，鎖住的是對象的實例（this）;
- 當(dāng)作用于靜態(tài)方法時轻纪，鎖住的是 Class 實例，又因為 Class 的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在永久帶 PermGen（jdk1.8則是 metaspace）叠纷，永久帶是全局共享的刻帚，因此靜態(tài)方法鎖相當(dāng)于類的一個全局鎖，會鎖所有調(diào)用該方法的線程涩嚣；
- synchronized 作用于一個對象實例時崇众，鎖住的是所有以該對象為鎖的代碼塊。
偏向鎖
所謂的偏向航厚，就是偏心顷歌，即鎖會偏向于當(dāng)前已經(jīng)占有鎖的線程 。
假如大部分情況是沒有競爭的（某個同步塊大多數(shù)情況都不會出現(xiàn)多線程同時競爭鎖）幔睬，那么可以通過偏向來提高性能眯漩。即在無競爭時，之前獲得鎖的線程再次獲得鎖時麻顶，會判斷是否偏向鎖指向我赦抖，那么該線程將不用再次獲得鎖，直接就可以進(jìn)入同步塊辅肾；如果未指向當(dāng)前線程队萤，則當(dāng)前線程會采用 CAS 操作將 markword 中線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，如果 CAS 操作成功宛瞄，則獲取偏向鎖成功浮禾，去執(zhí)行同步代碼塊交胚，如果 CAS 操作失敗份汗，則表示有競爭，獲得偏向鎖的線程被掛起蝴簇，偏向鎖升級為輕量級鎖杯活。
偏向鎖的實現(xiàn)就是將對象頭 markword 的標(biāo)記設(shè)置為偏向，并將線程ID寫入對象頭 markword熬词，當(dāng)其他線程請求相同的鎖時旁钧，偏向模式結(jié)束。
JVM默認(rèn)啟用偏向鎖互拾，使用如下的JVM參數(shù)來設(shè)置偏向鎖：
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=4
BiasedLockingStartupDelay 表示系統(tǒng)啟動幾秒鐘后啟用偏向鎖歪今。默認(rèn)為4秒，原因在于颜矿，系統(tǒng)剛啟動時寄猩，一般數(shù)據(jù)競爭是比較激烈的，此時啟用偏向鎖會降低性能骑疆。
輕量級鎖
輕量級鎖（Lightweight Locking）本意是為了減少多線程進(jìn)入互斥(mutex)的幾率田篇，并不是要替代互斥替废。
它采用 CAS 嘗試將對象的 markword 更新為指向當(dāng)前線程的指針，在進(jìn)入互斥前泊柬，進(jìn)行補救椎镣。
輕量級鎖是由偏向鎖升級來的，輕量鎖存在的目的是盡可能不用動用操作系統(tǒng)層面的互斥兽赁，因為那個性能會比較差状答。因為 JVM 本身就是一個應(yīng)用，所以希望在應(yīng)用層面上就解決線程同步問題闸氮。
總結(jié)一下就是輕量級鎖是一種快速的鎖定方法剪况，在進(jìn)入互斥之前，使用 CAS 操作來嘗試加鎖蒲跨，盡量不要用操作系統(tǒng)層面的互斥译断，提高了性能。
偏向鎖升級為輕量鎖的步驟為：
- 虛擬機首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間或悲，用于存儲鎖對象目前的 markword 的拷貝孙咪；
- 拷貝對象頭中的 markword 復(fù)制到鎖記錄中；
- 拷貝成功后巡语，虛擬機將使用 CAS 操作嘗試將對象的 markword 更新為指向 Lock Record 的指針翎蹈；
- 如果 CAS 操作失敗，表示存在競爭男公，升級為重量級鎖荤堪，就是操作系統(tǒng)層面的同步方法。在沒有鎖競爭的情況枢赔，輕量級鎖減少互斥產(chǎn)生的性能損耗澄阳。在競爭非常激烈時（輕量級鎖（CAS 操作）總是失敗）踏拜，輕量級鎖會多做很多額外操作碎赢，導(dǎo)致性能下降。
小結(jié)
synchronized 的執(zhí)行過程：
- 檢測 markword 里面是不是當(dāng)前線程的ID速梗，如果是肮塞，表示當(dāng)前線程處于偏向鎖。
- 如果不是姻锁，則使用 CAS 將 markword 中的線程ID更新為當(dāng)前線程的ID枕赵，如果成功則表示當(dāng)前線程獲得偏向鎖。
- 如果失敗位隶，則說明發(fā)生競爭拷窜，撤銷偏向鎖，進(jìn)而升級為輕量級鎖。
- 當(dāng)前線程使用 CAS 將對象的 markword 更新為指向 Lock Record 的指針装黑，如果成功副瀑，當(dāng)前線程獲得鎖。
- 如果失敗恋谭，表示其他線程競爭鎖糠睡，則升級為重量級鎖。
上面幾種鎖都是 JVM 自己內(nèi)部實現(xiàn)疚颊，當(dāng)我們執(zhí)行 synchronized 同步塊的時候 jvm 會根據(jù)啟用的鎖和當(dāng)前線程的爭用情況狈孔，決定如何執(zhí)行同步操作；
在所有的鎖都啟用的情況下線程進(jìn)入臨界區(qū)時會先去獲取偏向鎖材义，如果已經(jīng)存在偏向鎖了均抽，則會嘗試獲取輕量級鎖。如果輕量級鎖獲取失敗其掂，則啟用自旋鎖油挥，如果自旋也沒有獲取到鎖，則升級為重量級鎖款熬，沒有獲取到鎖的線程阻塞掛起深寥，直到持有鎖的線程執(zhí)行完同步塊喚醒他們；
偏向鎖是在無鎖爭用的情況下使用的贤牛，也就是同步開在當(dāng)前線程沒有執(zhí)行完之前惋鹅，沒有其它線程會執(zhí)行該同步塊，一旦有了第二個線程的爭用殉簸，偏向鎖就會升級為輕量級鎖闰集，如果輕量級鎖自旋到達(dá)閾值后，沒有獲取到鎖般卑，就會升級為重量級鎖武鲁；
鎖優(yōu)化
以上介紹的鎖不是我們代碼中能夠控制的，但是借鑒上面的思想椭微，我們可以優(yōu)化我們自己線程的加鎖操作洞坑；
減少鎖時間
不需要同步執(zhí)行的代碼盲链，能不放在同步快里面執(zhí)行就不要放在同步快內(nèi)蝇率，可以讓鎖盡快釋放；
減少鎖的粒度
它的思想是將物理上的一個鎖刽沾，拆成邏輯上的多個鎖本慕，增加并行度，從而降低鎖競爭侧漓。它的思想也是用空間來換時間锅尘；
java中很多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是采用這種方法提高并發(fā)操作的效率：
ConcurrentHashMap
java中的 ConcurrentHashMap 在 jdk1.8 之前的版本，使用一個 Segment 數(shù)組，Segment繼承自 ReenTrantLock藤违，所以每個 Segment 就是個可重入鎖浪腐，每個 Segment 有一個HashEntry< K,V >數(shù)組用來存放數(shù)據(jù)，put 操作時顿乒，先確定往哪個 Segment 放數(shù)據(jù)议街，只需要鎖定這個 Segment，執(zhí)行 put璧榄，其它的 Segment 不會被鎖定特漩；所以數(shù)組中有多少個 Segment 就允許同一時刻多少個線程存放數(shù)據(jù)，這樣增加了并發(fā)能力骨杂。
LongAdder
LongAdder 實現(xiàn)思路也類似 ConcurrentHashMap涂身，LongAdder 有一個根據(jù)當(dāng)前并發(fā)狀況動態(tài)改變的 Cell 數(shù)組，Cell 對象里面有一個long類型的 value 用來存儲值;
開始沒有并發(fā)爭用的時候或者是 cells 數(shù)組正在初始化的時候搓蚪，會使用cas來將值累加到成員變量的 base 上蛤售，在并發(fā)爭用的情況下，LongAdder 會初始化 cells 數(shù)組妒潭，在 Cell 數(shù)組中選定一個 Cell 加鎖悍抑，數(shù)組有多少個 cell，就允許同時有多少線程進(jìn)行修改杜耙，最后將數(shù)組中每個 Cell 中的 value 相加搜骡，再加上 base 的值，就是最終的值佑女；cell 數(shù)組還能根據(jù)當(dāng)前線程爭用情況進(jìn)行擴容记靡，初始長度為2，每次擴容會增長一倍团驱，直到擴容到大于等于cpu數(shù)量就不再擴容摸吠，這也就是為什么 LongAdder 比 cas 和 AtomicLong 效率要高的原因，后面兩者都是 volatile+cas 實現(xiàn)的嚎花，他們的競爭維度是1寸痢，LongAdder 的競爭維度為“Cell個數(shù)+1”，為什么要+1紊选？因為它還有一個 base啼止，如果競爭不到鎖還會嘗試將數(shù)值加到 base 上；
LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue也體現(xiàn)了這樣的思想兵罢，在隊列頭入隊献烦，在隊列尾出隊，入隊和出隊使用不同的鎖卖词，相對于LinkedBlockingArray只有一個鎖效率要高巩那；
拆鎖的粒度不能無限拆，最多可以將一個鎖拆為當(dāng)前 cup 數(shù)量個鎖即可；
鎖粗化
大部分情況下我們是要讓鎖的粒度最小化即横，鎖的粗化則是要增大鎖的粒度;
在以下場景下需要粗化鎖的粒度：
假如有一個循環(huán)噪生，循環(huán)內(nèi)的操作需要加鎖，我們應(yīng)該把鎖放到循環(huán)外面东囚，否則每次進(jìn)出循環(huán)杠园，都進(jìn)出一次臨界區(qū)，效率是非常差的舔庶；
使用讀寫鎖
ReentrantReadWriteLock 是一個讀寫鎖抛蚁，讀操作加讀鎖，可以并發(fā)讀惕橙，寫操作使用寫鎖瞧甩，只能單線程寫；
讀寫分離
CopyOnWriteArrayList 弥鹦、CopyOnWriteArraySet
CopyOnWrite 容器即寫時復(fù)制的容器肚逸。通俗的理解是當(dāng)我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當(dāng)前容器添加彬坏，而是先將當(dāng)前容器進(jìn)行 Copy朦促，復(fù)制出一個新的容器，然后新的容器里添加元素栓始，添加完元素之后务冕，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對 CopyOnWrite 容器進(jìn)行并發(fā)的讀幻赚，而不需要加鎖禀忆，因為當(dāng)前容器不會添加任何元素。所以 CopyOnWrite 容器也是一種讀寫分離的思想落恼，讀和寫不同的容器箩退。
CopyOnWrite 并發(fā)容器用于讀多寫少的并發(fā)場景，因為佳谦，讀的時候沒有鎖戴涝，但是對其進(jìn)行更改的時候是會加鎖的，否則會導(dǎo)致多個線程同時復(fù)制出多個副本钻蔑，各自修改各自的啥刻；
使用 cas
如果需要同步的操作執(zhí)行速度非常快矢棚，并且線程競爭并不激烈郑什，這時候使用 cas 效率會更高府喳，因為加鎖會導(dǎo)致線程的上下文切換蒲肋，如果上下文切換的耗時比同步操作本身更耗時，且線程對資源的競爭不激烈，使用 volatiled+cas 操作會是非常高效的選擇兜粘；
