java锁的简要原理，优缺点及应用

JUC

乐观锁

原理

是一种乐观思想，认为目标数据读多写少，默认不加锁，数据会维护一个版本号

读取数据：线程读取数据时不加锁，

写入数据：写入时，先读取数据以及版本号，然后写入修改后的数据，以及版本号，这时使用版本号进行CAS操作（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），失败则重试

应用

数据库乐观锁：数据表增加一个版本号字段来实现乐观锁。当更新数据时，同时检查版本号或时间戳

Java对象乐观锁：java.util.concurrent.atomic 包；

悲观锁

原理

是一种悲观思想，目标数据会被抢夺，默认加锁，只有一个线程可以读取/写入数据

读取数据：先尝试加锁，然后读取数据

写入数据：想尝试加锁，然后写入数据

应用

java对象：synchronized，ReentrantLock

自旋锁

原理

是一种偏乐观思想，认为持有目标数据的锁的线程可以很快执行完毕，持有CPU资源的情况下，通过CAS持续尝试获取目标数据的锁，

优点

避免线程之间的缺陷

缺点

应用

java自旋锁：自旋锁的自旋时间时需要设置的，在 java.util.concurrent.locks 包中，可以使用 ReentrantLock 类来实现自旋锁的逻辑，ReentrantLock 默认情况下是非公平锁，可以通过构造函数传入 fair = true 来创建公平锁。

java.util.concurrent.atomic 包中的一些原子类如 AtomicInteger等，使用了 CAS操作来实现无锁的并发控制。虽然它们不是传统的自旋锁，但在实现上使用了自旋的思想

锁升级

原理

锁升级：对悲观锁的一种优化方案，升级过程：偏向锁->轻量级锁->重量级锁

偏向锁：直接获取锁：单线程获取目标数据，处于偏向锁状态，可重入，无需重复获取锁。单线程操作完后释放锁

轻量级锁：CAS获取锁：又叫可重入锁，多线程获取目标数据锁，会升级成轻量级锁，多线程通过CAS竞争轻量级 锁时，失败会陷入自旋或者升级为重量级锁

重量级锁：切换到内核态获取锁：多线程获取目标数据的锁，某个线程自旋到一定时间/次数后会升级为重量级 锁，不会自动降级。由于重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）实现，所以使用重量级锁会导致 用户态->内核态之间的切换，也会导致线程上下文切换，效率较低

优点

1. 适合在目标数据并发较低的时候使用(使用锁升级优化后的)synchronized
2. 目标数据被少量线程频繁访问，偏向锁会减少不必要的同步

缺点

并发较高的时候会导致升级到重量级锁，效率较低，由于使用重量级锁的底层原理是调用操作系统的API，会导致切换到内核态，同时会切换县城上下文；锁的持有者释放了锁，操作系统会将等待锁的线程唤醒，并将其切换回用户态。这次有什么问题吗

应用

适合目标数据并发较低和被少量线程频繁访问的场景

synchronized与ReentrantLock对比

原理

synchronized：

基于 Java 虚拟机（JVM）内置监视器机制实现的，JVM 使用对象的监视器（也称为内部锁）来实现 synchronized 块。线程进入 synchronized 块时，会获取与该对象关联的监视器。监视器是一个内部数据结构，包含了锁和等待队列。如监视器没被其他线程持有，当前线程会获取锁并执行临界区代码。如另一个线程已经持有监视器，当前线程会被阻塞放入等待队列，等待监视器释放。当持有监视器线程释放锁，等待队列中的某个线程会被唤醒并执行。

1. 非公平锁：不需要手动加锁解锁，通过对象头的标志位实现锁的获取和释放
2. 可重入锁：可多次获得锁不会被阻塞，每次获锁成功，锁计数器加一，解锁减一，直到计数器为零会释放锁

ReentrantLock：

使用显式的锁定和解锁操作，通过 lock() 和 unlock() 方法进行操作。底层实现上，ReentrantLock 使用 CAS（Compare and Swap）操作来实现锁。 ReentrantLock 提供了更多的灵活性和功能，如可中断锁和公平锁

1. 可实现公平和非公平锁，java.util.concurrent.locks 中的类，基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架实现可重入锁，通过CAS实现锁的获取和释放，需要手动操作。
2. 可重入锁，用 lock() 方法获取锁，要在后续代码中用 unlock() 释放锁
3. 底层使用 CAS 来尝试获取锁，成功则获取锁，失败则使用自旋等待

优点

synchronized：

1. 不需要手动加锁解锁
2. 自动支持可重入

ReentrantLock：

1. 支持尝试获取锁，可以选择等待一段时间尝试获取锁。
2. 支持公平锁和非公平锁，可以通过构造函数指定。

缺点

synchronized：

1. 不支持尝试获取锁，会一直等待直到获取锁成功或线程被中断。
2. 自动支持可重入
3. 作用于方法锁的是对象实例：当一个线程访问到被synchronized锁住的方法时，其他线程无法访问该对象的其他方法或变量
4. 无法只锁方法中的部分代码，颗粒度大
5. 当synchronized作用在静态方法/Object.class上时，锁住的是该类的Class对象，因此其他线程无法同时访问该类其他被synchronized修饰的静态方法。但其他线程仍可访问该类非synchronized修饰的静态方法
6. 当synchronized作用在实例方法/实例上时，锁住的是该实例对象（即this）。当一个线程获取该实例方法或代码块的锁时，其他线程无法同时访问该实例的其他synchronized方法或代码块。可访问非synchronized修饰的方法

ReentrantLock：

1. 使用起来相对复杂，需要手动获取和释放锁，容易忘记释放锁导致死锁。
2. 由于使用了底层的 CAS 操作，性能相对于 Synchronized 略低。

应用

Synchronized 更简单易用，适用于一般的同步场景， ReentrantLock 提供了更多的灵活性和功能选项，适用于更复杂的同步需求。选择哪种锁取决于具体的应用场景和需求。

CAS

原理

CAS（Compare and Swap）是乐观锁机制，是一种原子操作，用于实现并发控制。

在进行更新操作的时候，先读取目标数据和版本号或者mark值，然后在写入的时候，使用之前读取到的目标数据和版本号或者mark值，和heap中的目标数据和版本号或者是mark值，如果都一致的话，更新数据，不一致则自旋重试

优点

1. 无锁：CAS是一种无锁的操作，不需要像传统的锁机制一样阻塞线程，避免了锁的开销和线程上下文切换的开销。
2. 高效：在没有竞争的情况下，CAS可以快速完成对共享变量的操作，因为它不涉及真正的加锁和解锁过程。

缺点

ABA问题：在CAS操作中，目标数据可能在操作过程中发生多次修改，然后又回到了原来的值（例如A→B→A），这样CAS操作会认为目标数据没被改过。为解决ABA问题，需要用版本号来区分不同的修改。

应用

java中乐观锁，自旋锁，轻量级锁基于CAS机制不通过调用操作系统API，在用户态实现锁机制