谈谈个人对乐观锁、悲观锁的理解

前言

线程安全这个话题在面试中常被问到，说到线程安全，那么就绕不开锁，笔者看了敖丙的关于乐观锁和悲观锁的文章，觉得很受用，在这里将一些个人理解写成博客，如有什么错误还请各位看官指正。

正文

1、乐观锁

乐观锁是什么呢？顾名思义，就是线程在进行数据读写的过程中，总是乐观地认为数据不会被修改，所以被称为乐观锁。谈及乐观锁的时候，我们通常以为例，CAS(Compare and Swap)是乐观锁的一种实现方式，它是怎么实现线程安全的呢？首先，线程在读取数据时，不会加锁，在准备写回数据时，先判断原数据是否被修改了，如果没有被修改，就将数据写回，如果被修改了，就重新读入，此时不会将数据写入。

1.1 CAS带来的问题

1. 自旋给CPU带来巨大压力：首先介绍一下自旋的概念，刚刚提到，当CAS准备写入时，会判断原数据是否被修改，如果被修改就重新读入数据，并重新执行一次CAS操作，这个过程称为自旋。如果CAS操作一直失败，那么就会导致一直自旋，这会给CPU带来巨大压力。
   
   
2. ABA问题：简单来说，就是线程1读取到的数据为A，由于没有加锁，其他线程也可以对这个变量进行读写，假设这个时候，有一个线程2对数据进行读取，并将数据修改为B，然后这时候又来了一个线程3，将数据修改回A，此时线程1再写入过程中进行判断，发现数据还是A，并没有改变，于是执行写入操作。但是事实上，数据是变过的。我们可以用图来进行直观展示。
   
3. 只能保证一个共享变量的原子操作：CAS只能保证单个变量的原子操作，不能保证多个变量的原子操作，比如我们要保证数据a,b同时更新成功或者失败，而使用CAS可能会出现只有一个变量更新成功的情况。JDK 5之后 AtomicReference可以用来保证对象之间的原子性，就可以把多个对象放入CAS中操作(老实说，AtomicReference不太了解)。
   
   

1.2 CAS如何避免ABA的问题

1. 加入标志位：比如加一个自增的字段，数据被操作一次就加一，或者加时间戳，比较时间戳的值。
   
   

2、悲观锁

悲观锁是什么呢？顾名思义，就是线程在读取数据的过程中，悲观地认为其他线程一定会修改数据，因此在一个线程对数据进行读写的的时候，不允许其他线程对数据进行读写，直到该线程释放当前占有的锁。悲观锁有两种，分别是Synchronized和ReentrantLock。我们一个一个来介绍。

2.1 Synchronized

Synchronized是最常用的线程同步手段之一，90%的线程同步问题都可以使用Synchronized来解决，那么它是如何保证同一时间段内只有一个线程能进入临界区呢？我们通过Synchronized分别修饰代码块和方法进行介绍。首先介绍一下什么是Monitor对象。

• Monitor对象：在JVM中，对象分为3个部分：Header、Instance Data和Padding。

  • Header: Header包含2部分数据，Mark word(标记字段)、Klass Point(类型指针)
    • Mark Word:默认保存了对象的HashCode、分代年龄和锁标志位信息，可以看到，Mark Word的值会根据锁标志位的变化而变化。
    • Klass Point:对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。在对象头中保存了锁标志位和指向 monitor 对象的起始地址，如下图所示，右侧就是对象对应的 Monitor 对象。
      

  当Monitor被某个线程持有后，Owner就会指向这个持有它的线程，_EntryList 用来保存已经获取到锁的线程，_WaitSet用来保存等待获取锁的线程。
  
  

• 修饰方法：使用Synchronized修饰方法时，在方法的字节码上会加上一个标志位ACC_SYNCHRONIZED，当其他线程进入这个方法时，会查看方法是否有这个标志位，如果有，就说明这个锁已经被其他线程占用了，当前线程就不能执行这个方法。
  
  

• 修饰代码块：Synchronized修饰代码块时，是通过monitorenter和monitorexit来实现的，，每个对象都对应着该monitor，当一个monitor被拥有之后就被锁住，其他线程就不能运行到monitorentr指令时，会由于无法获取monitor而陷入阻塞，monitor内部维护这一个计数器，这个计数器记录了当前monitor被拥有的次数，当前拥有它的线程可以重复拥有它，当计数器为0时，表示可以释放当前锁了，于是就执行monitorexit指令，此时其它线程就可以获取锁了。

小结：Synchronized修饰方法和代码块都是通过Monitor来实现的，不同之处在于修饰方法时使用标志位ACC_SYNCHORONIZED来实现，而修饰代码块时使用monitorenter和monitorexit来实现。

2.2 ReentrantLock

ReentrantLock也是悲观锁的一种，与Synchronized不同的是，ReentrantLock不是基于monitor来实现同步，而是使用AQS(AbstractQueueSynchronizer)，队列同步器来实现的，那么AQS是什么呢？我们先来看看AQS的内部结构。

可以看到，AQS内部是由一个同步队列和多个等待队列以及一个state标志位构成的(这个图有点歧义)，当state标志位的值为1时，说明被lock()的部分有线程在使用，同步队列和等待队列的底层都是双向链表。当前需要获取锁的线程在满足某个条件后，才能进入等待队列，再满足Condition条件后，才能进入同步队列，与其它同步队列中的线程争抢锁。


ReentrantLock有非公平锁和公平锁两种实现方式，公平锁就是先进先出，谁先等待，谁先拥有，非公平锁就是后进入等待的线程有可能先拥有锁。此外，ReentrantLock也是可重入锁，当前线程可以多次进行加锁操作。

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2.3 Synchronized和ReentrantLock的区别

事实上，Synchronized能做到的，ReentrantLock都能做到，而ReentrantLock能做到的，Synchoronized却不一定能做到，因此，可以认为ReentrantLock比Synchoronized功能上更加强大。同时这里列举一些它们的区别。

• 实现方式：Synchronized是由jvm实现的，几乎所有的版本都有，而ReentrantLock是由jdk实现的，在jdk1.5版本之后才有的。
  
  
• 性能差异：Synchronized在引入了自旋锁、偏向锁后，性能和ReetrantLock差不多，在引入之前，性能要远低于ReentrantLock。
  
  
• 使用方式：Synchronized自动释放锁，而ReentrantLock需要手动释放锁。
  
  
• ReentrantLock独有的三大功能：
  • 可以实现非公平锁和公平锁的自由切换，默认是非公平锁。
  • 可以结合Condition类实现有条件地分组唤醒线程，而Synchronized结合wait/notify/notifyall只能随机唤醒或全部唤醒线程。
  • 提供了能够中断等待锁的线程的机制，当一个线程一直等待而拿不到锁时，可以中断等待而去执行别的任务。
    
    

2.4 如何取舍

虽然ReentrantLock功能比Syncronized更加强大，但是使用起来更加麻烦，如果不追求并发量的话，使用Synchronized会比较好。


总结

本文主要介绍了乐观锁和悲观锁的实现方式，其中重点介绍了悲观锁的两种实现方式：Synchronized和ReentrantLock。CAS可以保证单个变量的原子性，但是不能保证多个变量的原子性操作，Synchronized和ReentrantLock功能是一样的，但是单层原理不同，要保证线程安全，就必须使用锁，至于怎么选择锁，需要看具体的应用场景。

参考资料：
https://blog.csdn.net/qq_35190492/article/details/104691668
https://blog.csdn.net/Baisitao_/article/details/102062329