一. synchronized
在 JDK 1.6 之前，synchronized 是重量級(jí)鎖，效率低下。
從 JDK 1.6 開始，synchronized 做了很多優(yōu)化，如偏向鎖、輕量級(jí)鎖、自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開銷。
synchronized 同步鎖一共包含四種狀態(tài)：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。synchronized 同步鎖可以升級(jí)但是不可以降級(jí)，目的是為了提高獲取鎖和釋放鎖的效率。
synchronized 的底層原理
synchronized 修飾的代碼塊
通過(guò)反編譯.class文件，通過(guò)查看字節(jié)碼可以得到：在代碼塊中使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指令指明同步代碼塊的結(jié)束位置。
synchronized 修飾的方法
同樣查看字節(jié)碼可以得到：在同步方法中會(huì)包含 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)記符。該標(biāo)記符指明了該方法是一個(gè)同步方法，從而執(zhí)行相應(yīng)的同步調(diào)用。
二. 對(duì)象鎖、類鎖、私有鎖
對(duì)象鎖：使用 synchronized 修飾非靜態(tài)的方法以及 synchronized(this) 同步代碼塊使用的鎖是對(duì)象鎖。
類鎖：使用 synchronized 修飾靜態(tài)的方法以及 synchronized(class) 同步代碼塊使用的鎖是類鎖。
私有鎖：在類內(nèi)部聲明一個(gè)私有屬性如private Object lock，在需要加鎖的同步塊使用 synchronized(lock）
它們的特性：
- 對(duì)象鎖具有可重入性。
- 當(dāng)一個(gè)線程獲得了某個(gè)對(duì)象的對(duì)象鎖，則該線程仍然可以調(diào)用其他任何需要該對(duì)象鎖的 synchronized 方法或 synchronized(this) 同步代碼塊。
- 當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)對(duì)象的一個(gè) synchronized(this) 同步代碼塊時(shí)，其他線程對(duì)該對(duì)象中所有其它 synchronized(this) 同步代碼塊的訪問(wèn)將被阻塞，因?yàn)樵L問(wèn)的是同一個(gè)對(duì)象鎖。
- 每個(gè)類只有一個(gè)類鎖，但是類可以實(shí)例化成對(duì)象，因此每一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)象鎖。
- 類鎖和對(duì)象鎖不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。
- 私有鎖和對(duì)象鎖也不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。
- 使用私有鎖可以減小鎖的細(xì)粒度，減少由鎖產(chǎn)生的開銷。
由私有鎖實(shí)現(xiàn)的等待/通知機(jī)制：
Object lock = new Object();
// 由等待方線程實(shí)現(xiàn)
synchronized (lock) {
while (條件不滿足) {
lock.wait();
}
}
// 由通知方線程實(shí)現(xiàn)
synchronized (lock) {
條件發(fā)生改變
lock.notify();
}
三. ReentrantLock
ReentrantLock 是一個(gè)獨(dú)占/排他鎖。相對(duì)于 synchronized，它更加靈活。但是需要自己寫出加鎖和解鎖的過(guò)程。它的靈活性在于它擁有很多特性。
ReentrantLock 需要顯示地進(jìn)行釋放鎖。特別是在程序異常時(shí)，synchronized 會(huì)自動(dòng)釋放鎖，而 ReentrantLock 并不會(huì)自動(dòng)釋放鎖，所以必須在 finally 中進(jìn)行釋放鎖。
它的特性：
- 公平性：支持公平鎖和非公平鎖。默認(rèn)使用了非公平鎖。
- 可重入
- 可中斷：相對(duì)于 synchronized，它是可中斷的鎖，能夠?qū)χ袛嘧鞒鲰憫?yīng)。
- 超時(shí)機(jī)制：超時(shí)后不能獲得鎖，因此不會(huì)造成死鎖。
ReentrantLock 是很多類的基礎(chǔ)，例如 ConcurrentHashMap 內(nèi)部使用的 Segment 就是繼承 ReentrantLock，CopyOnWriteArrayList 也使用了 ReentrantLock。
四. ReentrantReadWriteLock
我之前寫過(guò)一篇文章《ReentrantReadWriteLock讀寫鎖及其在 RxCache 中的使用》 曾詳細(xì)介紹過(guò)ReentrantReadWriteLock。
它擁有讀鎖(ReadLock)和寫鎖(WriteLock)，讀鎖是一個(gè)共享鎖，寫鎖是一個(gè)排他鎖。
它的特性：
- 公平性：支持公平鎖和非公平鎖。默認(rèn)使用了非公平鎖。
- 可重入：讀線程在獲取讀鎖之后能夠再次獲取讀鎖。寫線程在獲取寫鎖之后能夠再次獲取寫鎖，同時(shí)也可以獲取讀鎖（鎖降級(jí)）。
- 鎖降級(jí)：先獲取寫鎖，再獲取讀鎖，然后再釋放寫鎖的過(guò)程。鎖降級(jí)是為了保證數(shù)據(jù)的可見性。
五. CAS
上面提到的 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基于 AbstractQueuedSynchronizer (AQS)，而 AQS 又是基于 CAS。CAS 的全稱是 Compare And Swap（比較與交換），它是一種無(wú)鎖算法。
synchronized、Lock 都采用了悲觀鎖的機(jī)制，而 CAS 是一種樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)。
CAS 的特性：
- 通過(guò)調(diào)用 JNI 的代碼實(shí)現(xiàn)
- 非阻塞算法
- 非獨(dú)占鎖
CAS 存在的問(wèn)題：
- ABA
- 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大
- 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
六. Condition
Condition 用于替代傳統(tǒng)的 Object 的 wait()、notify() 實(shí)現(xiàn)線程間的協(xié)作。
在 Condition 對(duì)象中，與 wait、notify、notifyAll 方法對(duì)應(yīng)的分別是 await、signal 和 signalAll。
Condition 必須要配合 Lock 一起使用，一個(gè) Condition 的實(shí)例必須與一個(gè) Lock 綁定。
它的特性：
- 一個(gè) Lock 對(duì)象可以創(chuàng)建多個(gè) Condition 實(shí)例，所以可以支持多個(gè)等待隊(duì)列。
- Condition 在使用 await、signal 或 signalAll 方法時(shí)，必須先獲得 Lock 的 lock()
- 支持響應(yīng)中斷
- 支持的定時(shí)喚醒功能
七. Semaphore
Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier 都是并發(fā)工具類。
Semaphore 可以指定多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)資源，而 synchronized 和 ReentrantLock 都是一次只允許一個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)資源。由于 Semaphore 適用于限制訪問(wèn)某些資源的線程數(shù)目，因此可以使用它來(lái)做限流。
Semaphore 并不會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，數(shù)據(jù)的同步還是需要使用 synchronized、Lock 等實(shí)現(xiàn)。
它的特性：
- 基于 AQS 的共享模式
- 公平性：支持公平模式和非公平模式。默認(rèn)使用了非公平模式。
八. CountDownLatch
CountDownLatch 可以看成是一個(gè)倒計(jì)數(shù)器，它允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作。因此，CountDownLatch 是共享鎖。
CountDownLatch 的 countDown() 方法將計(jì)數(shù)器減1，await() 方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程直到計(jì)數(shù)器變?yōu)?。
在我的爬蟲框架NetDiscovery中就使用了 CountDownLatch 來(lái)控制某個(gè)爬蟲的暫停和恢復(fù)。
九. 鎖的分類
十. 總結(jié)
本文小結(jié)了 Java 常用的一些鎖及其一些特性，掌握這些鎖是掌握 Java 并發(fā)編程的基礎(chǔ)。當(dāng)然，Java 的鎖并不止這些，例如 ConcurrentHashMap 的分段鎖(Segment)，分布式環(huán)境下所使用的分布式鎖。
參考資料：
- 《Java并發(fā)編程藝術(shù)》
- 《Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》
- 不可不說(shuō)的Java“鎖”事
