介绍一下你知道的锁

一、核心概念与分类（基础必问）

从不同维度对锁进行分类。

1. 乐观锁 vs 悲观锁（思想层面）

• 悲观锁 ：认为并发冲突一定会发生 ，因此在操作数据前必须先加锁。典型代表是 synchronized 关键字和 ReentrantLock。
  • 类比：假设所有人都会修改数据，所以每次进屋（操作数据）都先锁门。
• 乐观锁 ：认为并发冲突不常发生 ，因此先直接操作数据，在提交更新时再判断是否有冲突。通常通过版本号 或CAS机制 实现。
  • 典型实现 ：数据库的 version 字段，Java中的 AtomicInteger（基于CAS）。
  • 类比：假设大家很少冲突，所以先干事，提交前看一眼有没有人动过（检查版本号）。

2. 公平锁 vs 非公平锁（调度策略）

• 公平锁 ：多个线程按照申请锁的顺序 来获取锁，先到先得。ReentrantLock(true)。
  • 优点：不会"饿死"。
  • 缺点：吞吐量较低，需要维护一个队列。
• 非公平锁 ：允许"插队"，线程尝试获取锁时，如果锁刚好可用，则直接获取，不管队列里是否有等待者。synchronized 和 ReentrantLock()（默认）。
  • 优点：吞吐量高，减少线程切换开销。
  • 缺点：可能导致某些线程长时间"饿死"。

3. 可重入锁 vs 非可重入锁（能否重复进入）

• 可重入锁（递归锁） ：同一个线程在外层方法获取锁后，在进入内层方法时会自动获取该锁（锁的计数器+1）。synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入的。
  • 优点：避免死锁，方便递归和嵌套调用。
  • 示例 ：synchronized 方法A调用另一个 synchronized 方法B。
• 非可重入锁：与之相反，自己锁了自己就不能再进了。

4. 独享锁（排他锁） vs 共享锁（读写锁）

• 独享锁 ：一次只能被一个线程持有。synchronized、ReentrantLock 是独享锁。
• 共享锁 ：允许多个线程同时持有。典型代表是 ReentrantReadWriteLock.ReadLock。
  • 读写锁 ：ReentrantReadWriteLock 是 ReadLock（共享）和 WriteLock（独享）的组合，遵循 "读读共享、读写互斥、写写互斥" 的原则，能极大提升读多写少场景的性能。
  • 升级 ：JDK 8 引入了性能更好的 StampedLock，提供了乐观读、读写锁转换等更灵活的功能。

5. 自旋锁 vs 互斥锁

自旋锁: 当没拿到锁时, 不会释放CPU, 而是一直处于活跃状态(while循环), 一直循环判断锁是否被释放. 循环时间一长十分消耗CPU资源.

互斥锁: 没拿到锁就释放CPU, 进入阻塞等待状态, 直到被唤醒.

二、关键锁的实现与原理（进阶高频）

1. synchronized 关键字

• 用法：修饰实例方法、静态方法、代码块。
• 原理：JVM 层面实现。
• 锁升级过程（重点！） ：为了在性能和开销间取得平衡，JDK 1.6 后引入了"偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁"的升级过程，锁只能升级不能降级。
  • 无锁：新对象。
  • 偏向锁：假设只有一个线程访问，会在对象头Mark Word记录线程ID。后续该线程进入/退出同步块只需要检查ID，无需CAS。
  • 轻量级锁：当有第二个线程竞争时，升级为轻量级锁。通过CAS自旋（适应性自旋）尝试获取锁，避免直接进入内核态阻塞。
  • 重量级锁 ：自旋失败或竞争激烈时，升级为重量级锁（操作系统层面的互斥量 Mutex），线程进入阻塞队列，性能消耗最大。
• 面试点 ：synchronized 与 ReentrantLock 的区别。
  先尝试偏向锁，降低无竞争的开销；出现竞争时，升级为轻量级锁，通过自旋避免阻塞；自旋失败（竞争加剧），最终升级为重量级锁，让线程阻塞。当 synchronized 升级为重量级锁时，它需要通过操作系统的互斥锁（Mutex Lock）来实现线程的阻塞和唤醒
  2. ReentrantLock（AQS 的代表）
• 核心 ：基于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS） 实现。AQS 内部维护了一个 volatile int state（同步状态）和一个 CLH 变体的FIFO双向队列（阻塞线程队列）。
• 原理 ：
  • 加锁 ：通过 lock() -> acquire() -> tryAcquire() 尝试获取锁（修改 state 从0到1），成功则独占；失败则通过 addWaiter() 将线程封装为 Node 加入队列尾部，并通过 acquireQueued() 进行自旋或阻塞。
  • 解锁 ：unlock() -> release() -> tryRelease() 将 state 减为0，并 unparkSuccessor() 唤醒队列中的下一个线程。
• 优势 ：相比 synchronized，提供了更多功能：可中断 (lockInterruptibly())、可定时 (tryLock(timeout))、可设置公平/非公平 、支持多个条件变量 (Condition)。
  

3. CAS（Compare And Swap）与原子类

• CAS：乐观锁的核心实现，是一条CPU原子指令。操作包含三个值：内存位置 V、预期原值 A、新值 B。仅当 V == A 时，才将 V 更新为 B。
• 原子类 ：java.util.concurrent.atomic 包下的类（如 AtomicInteger）使用 CAS 实现无锁线程安全操作。
• 缺点 ：
  • ABA问题 ：值从A变成B又变回A，CAS会认为没变。解决方案是使用 AtomicStampedReference （带版本戳）。
  • 循环时间长开销大：自旋CAS如果长时间不成功，会消耗CPU。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作 。可以用 AtomicReference 封装多个变量。