一、多线程下需要考虑加锁的原因

线程安全问题

什么是线程安全问题？
线程安全问题是指，某一线程从开始访问到结束访问某一资源期间，该资源数据被其他线程所修改，那么对于当前线程而言，该线程就发生了线程安全问题。表现形式为数据不一致，数据缺失等问题。

线程安全问题发生的条件：

• 多线程环境下，即包括自己在内，存在多个线程。
• 多线程环境下存在共享资源，并且多线程操作该共享资源。
• 多线程对该资源的操作是非原子性的。

线程安全问题解决思路：
1.尽量不使用共享变量，将不必要的共享变量变成局部变量来使用。
2.使用加锁机制来确保，同一时刻只有一个线程可以获取到该共享变量。
3.使用ThreadLocal为每个线程创建共享变量的副本，各个线程独立操作，互不影响。

什么是线程阻塞

阻塞是指当一个线程占有了共享资源后，所有其他需要此资源的线程都要进入临界区挂起等待，一直不能工作，直到该线程获取到此临界资源，这种情况就是阻塞。如果一个线程一直不释放资源，那么其他线程就得一直阻塞等待。

阻塞问题的本质就是锁的性能问题。
解决方法：可以通过减少锁的持有时间，读写锁分离，减小锁粒度等方式来优化锁的性能。

二、Java的八大锁

1.乐观锁 & 悲观锁

悲观锁：
悲观锁认为，对于同一个数据的并发操作，自己在使用数据的时候，一定会有其他线程来修改数据。悲观锁悲观地认为，不加锁的并发操作一定会出问题。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。
synchronized 是悲观锁的实现，因为synchronized修饰的代码，每次执行时都会进行加锁操作，同时只允许一个线程进行操作，所以它是悲观锁的实现。

乐观锁：
乐观锁正好和悲观锁相反，乐观锁认为自己在使用数据时，不会有别的线程来修改数据，所以不会添加锁。只是在更新数据的时候去判断一下，之前有没有别的线程来更新过这个数据。如果这个数据没有被更新过，当前线程将自己修改后的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新，则根据不同的实现方式执行不同的操作（例如报错或者自动重试）。
乐观锁在Java中是通过无锁编程来实现的，最常采用的就是CAS算法。Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。CAS全称 Compare And Swap（比较和交换），是一种无锁算法。在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent包中的原子类就是通过CAS来实现的乐观锁。CAS算法的核心思想是，在更新数据的时候，通过判断现有的数据是否和原数据一致，来判断在此过程中，数据是否被其他线程修改过，如果没被其他线程修改过则进行数据更新。

2.公平锁 & 非公平锁

根据线程获取锁的抢占机制，锁又可以分为公平锁和非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

公平锁：
公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，即先到先得，后到后得的队列策略。线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。
公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁：
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序，并不是按照申请锁的顺序，存在后申请的线程比先申请的线程优先获取锁的可能。多个线程在加锁时会直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。
非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是有可能会造成优先级反转，处于等待队列中的线程甚至可能会被饿死，或者等很久才会获得锁。
对于Synchronized而言，也是一种非公平锁。另外，ReentrantLock 提供了公平锁和非公平锁的实现方式。如果构造函数不传任何参数的时候，默认提供的是非公平锁。带参构造时，true是公平锁，false是非公平锁。

3.独占锁 & 共享锁

根据锁能否被多个线程同时持有，可以把锁分为独占锁和共享锁。

独占锁：
独占锁是指任何时候，该锁一次只能被一个线程所持有，只有一个线程能执行资源操作。ReentrantLock和synchronized都是独占锁。

共享锁：
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。可以同时被多个线程读取，但只能被一个线程修改。比如Java中的 ReentrantReadWriteLock ，其写锁是独占锁，它只允许一个线程进行写操作。其读锁是共享锁，允许多个线程执行读操作。读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，但读写、写读、写写的过程都是互斥的。

4.可重入锁：

可重入锁又名递归锁，指的是同一线程在外层方法获取锁之后，在进入内层方法时会自动获取锁。（前提锁对象得是同一个对象或者class）。也就是说，该线程获取了该锁之后，可以无限次的进入任何一个该锁锁住的代码块。Java中的ReentrantLock和synchronized就是典型的可重入锁，可重入锁最大的优点就是可在一定程度上避免死锁。

5.自旋锁：

自旋锁（spinlock）是指：当一个线程在尝试获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程不会立即阻塞，而是采用while循环的方式去尝试获取锁。总是不断的通过循环去判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。这样做的好处是，可以减少线程上下文切换所带来的消耗。缺点是，循环会消耗大量的CPU资源。

三、CAS算法

CAS简介

CAS（Compare And Swap），即比较并交换。首先进行比较，比较当前线程工作内存中的值和主内存中的值是否相同，如果相同，则执行值替换操作。否则就获取主内存中的最新值，继续进行比较，直到主内存中的值和工作内存中的值一致为止。
CAS全称为Compare-And-Swap，它是一条CPU并发原语。它的功能是判断内存某个地址的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，并且，这个过程是原子性的。
例如：java.util.concurrent包中的原子性整数类AtomicInteger的底层就用到了CAS。其中比较重要的方法有compareAndSet()和getAndIncrement()。

CAS的缺点

1. 当多线程的并发情况严重时，一个地址处的值可能会被频繁的进行修改，如果CAS的比较方式一直无法比较成功，多次while循环的条件判断，可能会给CPU带来很大的开销。
2. 当对一个共享变量执行操作时，可以通过循环CAS的方式来保证原子性操作。但是，对多个共享变量进行操作时，CAS就无法保证操作的原子性，这个时候需要用锁来保证原子性。
3. CAS比较方式 ，会出现 ABA问题。

什么是ABA问题

ABA问题指的是，一个线程x从主内存V处取出值A，这时另外一个线程y也从主内存中取出值A，并且线程y进行了一系列操作后将值A变成了B，然后可能其他线程又将V位置处的数据变回了A，这时线程x进行CAS操作，发现内存中的值仍然是A，然后线程x操作成功。
尽管线程x的CAS操作是成功的，但并不能代表在这个过程中，其他线程没有进行过其他操作。（AtomicReference类无法避免ABA问题，但AtomicStampedReference类可以解决ABA问题，它是通过添加一个版本号来解决ABA问题的）。

最后

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