对Java提供的锁机制的一些思考

Java的数据会在CPU、Register、Cache、Heap和Thread stack之间进行复制操作，而前面四个都是在Java Threads之间共享，因此Java的锁机制主要用于解决Racing Threads的数据一致性。

基于CPU缓存一致性MESI协议的volatile关键字

保证变量在racing thread之间实时可见，使用内存屏障禁止JVM基于instruction reorder的优化，不能保证变量在各个线程之间的数据一致性（如counter++）；

基于字节码机制的synchronized关键字
synchronized是语言自带的内置独享锁、非公平锁，也就是不管racing thread排队的时间先后都统一进行锁竞争，通过编排JVM字节码实现，锁为对象或者类的头标记位；悲观锁，并发性差；另外synchronized声明不会被继承，也就是如果子类方法重写父类的synchronized方法时，不再具有同步性。

使用synchronized关键字修饰代码块或者方法，表示这块代码为互斥区或临界区。有两种类型的锁可以通过synchronized加到代码块或者方法上，一种是实例Object锁，一种是class锁。对于同一个ClassLoader下加载的类而言，一个类只有一把class锁，所有这个类的实例都共享一把类锁；同一个类可以实现多个实例对象，也就存在多个实例锁。另外通过synchronized添加的锁具有可重入性，也就是只要一个线程已经获取了锁，这样只要共享同一把锁的其他synchronized修饰的代码块或者方法都可以进入，换句话说其他线程访问对其他synchronized修饰的代码块或者方法也需要等待锁的释放，因此synchronized还支持任意对象的锁，这样同一个类的不同方法可以添加不同的对象锁。

下面是基于不同锁实现的synchronized块：对象锁，静态对象锁，类锁

 public class App1 {
     private Object lock1 = new Object();
     private static Object lock2 = new Object();
     synchronized public void funcA() {
         //this object lock
     }
     public void funcB() {
         synchronized(this) {
             //this object lock
         }
         //run something without lock
     }
     public void funcC(List<String> list) {
         synchronized(list) {
             //list object lock
         }
     }
     public void funcD() {
         synchronized(lock1) {
             //lock1 object lock
         }
     }
     public void funcE() {
         synchronized(lock2) {
             //lock2 static object lock
         }
     }
     public void funcF() {
         synchronized(App1.class) {
             //App1 class lock
         }
     }
     synchronized public static void funcG() {
         //App1 class lock
     }
 }

基于Abstract Queued Synchronizer（AQS）机制的ReentraintLock
AQS是JDK提供的的一种实现，可以实现公平和非公平锁，内部实现依赖volatile int state变量加CLH队列实现，主要的实现类是ReentrantLock；AQS定义了多线程访问共享资源的同步器框架，常见的如ReentraintLock/Semaphore/CountDownLatch等都依赖于AQS的实现；

 private volatile int state;
 static final class Node {
     int waitStatus;
     Node prev;
     Node next;
     Node nextWaiter;
     Thread thread;
 }
 protected final int getState() { return state; }
 protected final void setState(int newState) { state = newState; }

 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
         // See below for intrinsics setup to support this
         return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
 }
 protected boolean tryAcquire(int arg) {}
 protected boolean tryRelease(int arg) {}
 protected int tryAcquireShared(int arg) {}
 protected boolean tryReleaseShared(int arg) {}
 protected boolean isHeldExclusively() {}

AQS通过维护一个FIFO队列，并且通过一个由volatile修饰的int状态值来实现锁的获取，int状态值通过CPU的compare-and-swap指令进行更新，从而保证原子性。FIFO队列中每一个Node表示一个排队线程，其保存着线程的引用和状态，然后通过三个方法分别对获取或者设置状态。通过对getState，setState和compareAndSetState的封装，AQS的继承类需要试下如下几个方法，前面两个表示获取和释放独占锁（如ReentraintLock），后面两个表示获取和释放共享锁（如Semaphore和CountDownLatch）。

ReentrantLock初始化状态state=0，线程A访问同步代码的时候使用ReentrantLock.lock()，内部会调用tryAcquire尝试获取独占锁，状态变成state+1；其他线程调用ReentrantLock.lock()的时候就会失败，直到线程A调用unlock(内部为tryRelease)将状态编程state=0；如果线程A在持有独占锁的同时访问其他同步代码块，这时候state的值就会累加，需要调用unlock(内部为tryRelease)减少state的值。ReentrantLock也提供了类似wait/notify的方法，await/signal，同样的线程在调用这两个方法之前需要获得对象锁监视，也就是执行lock.lock()方法。

ReentrantLock是纯粹的独占锁，为了提升效率引入了ReentrantReadWriteLock –> readLock/writeLock，读读共享，读写互斥，写写互斥。CLH队列中的节点模式分为shared和exclusive两种，当一个线程修改了state状态则表示成功获取了锁，如果线程的模式是shared则会执行一个传递读锁的过程，策略是从CLH队列的头到尾依次传递读锁，直到遇到一个模式为exclusive的写锁模式的节点，这个exclusive模式的节点需要等之前所有shared模式的节点对应的操作都执行完毕之后才会获取到锁，这就是读写锁的模式。

 public class App1 extends Thread {
     private Lock lock = new ReentrantLock();
     private Condition condition = lock.newCondition();
     public App1() {
         super();
     }
     @Override
     public void run() {
         try {
             lock.lock();
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                 + " : start to wait.");
             condition.await();//condition.signal();
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                 + " : wait ends, execute again.");
         } catch (Exception e) {
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 }

基于Compare-And-Swap机制的AtomicBoolean/AtomicReference/AtomicInteger，可实现自旋锁（spin-lock），乐观锁
基于volatile关键字的变量虽然可以保证各个线程的实时可见，但一旦发生更新操作，则可能发生线程间数据不一致的发生，常见的一种场景是多线程共享的计数器，volatile不能友好解决counter++这样的更新操作，这个时候可以使用AtomicInteger来保证；AtomicInteger内部结合volatile修饰int变量，native类型的unsafe.compareAndSwapInt操作，和基于内存偏移量的compare-and-swap操作实现乐观锁的原子操作，最终可以保证Atomic类数据更新的线程安全；

下面代码是AtomicInteger类所有封装操作的内部实现，目标变量的内存值可以通过aInteger和objectValueOffset唯一确定，首先取出期望值current，然后通过自旋操作对比当前线程的期望值current与当前内存中的值是否匹配，如果匹配则更新为current + increment，否则继续自旋；排队自旋锁（ticket spin-lock）正是基于这一机制实现的；

 public final int getAndAddInt(Object aInteger, long objectValueOffset,
         int increment) {
     int current;
     do {
         current = this.getIntVolatile(aInteger, objectValueOffset);
     } while (!this.compareAndSwapInt(aInteger, objectValueOffset,
                     current, current + increment));
     return current;
 }

相比synchronized关键字的悲观锁实现，CAS使用乐观锁机制在并发性方面具有比较大的优势，但受限于CAS的实现机制，AtomicInteger也存在一些问题，ABA问题，CPU开销大，不能保证两个或者以上变量的原子性操作；