Java多執行緒--JUC-Lock鎖（ReentrantLock、AQS）

java.util.concurrent 在并發編程中使用的工具類，其重點有lock鎖、輔助工具類、Atomic原子類以及并發集合框架等，

lock 最 常 用 的 類 就 是 ReentrantLock ， 其 底 層 實 現 使 用 的 是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）

Java是如何實作原子操作？
在Java中可以通過鎖和回圈CAS的方式來實作原子操作
如：Atomic原子類（回圈CAS操作直到成功）

AQS（自旋、LockSupport、CAS）

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一個抽象同步框架，可以用來實作一個依賴狀態的同步器，也就是佇列同步器，多執行緒訪問共享資源的同步器，

AQS 有?個 state 標記位，值為1 時表示有執行緒占?，其他執行緒需要進?到同步佇列等待，同步佇列是?個雙向鏈表，
當獲得鎖的執行緒需要等待某個條件時，會進? condition 的等待佇列，等待佇列可以有多個，
當 condition 條件滿?時，執行緒會從等待佇列重新進?同步佇列進?獲取鎖的競爭，

AQS 原理

Node內部類構成的?個雙向鏈表結構的同步佇列，通過控制（volatile的int型別）state狀態來判斷鎖的狀態，對于?可重?鎖狀態不是0則去阻塞；
對于可重?鎖如果是0則執?，?0則判斷當前執行緒是否是獲取到這個鎖的執行緒，是的話把state狀態＋1，?如重?5次，那么state=5， ?在釋放鎖的時候，同樣需要釋放5次直到state=0其他執行緒才有資格獲得鎖

AQS加鎖程序

AQS兩種資源共享?式
Exclusive：獨占，只有?個執行緒能執?，如ReentrantLock
Share：共享，多個執行緒可以同時執?，如Semaphore、CountDownLatch、ReadWriteLock，CyclicBarrier

ReentrantLock（可重入鎖）

什么是 “可重入”
可重入就是說某個執行緒已經獲得某個鎖，可以再次獲取鎖而不會出現死鎖（如同計數器++而已），可重入鎖又名遞回鎖，是指在同一個執行緒在外層方法獲取鎖的時候，再進入該執行緒的內層方法會自動獲取鎖（前提鎖物件得是同一個物件或者class），一定程度上避免死鎖，

ReentrantLock 是如何實作可重?性的 ？
內部?定義了同步器 Sync，加鎖的時候通過CAS 演算法 ，將執行緒物件放到?個雙向鏈表 中，每次獲取鎖的時候 ，看下當前維 護的那個執行緒ID和當前請求的執行緒ID是否?樣，?樣就可重?了；

synchronized與ReentrantLock區別
?都是可重?鎖； ReentrantLock是顯示獲取和釋放鎖，synchronized是隱式；
?ReentrantLock更靈活可以知道有沒有成功獲取鎖，可以定義讀寫鎖，是api級別，synchronized是JVM級別；
?ReentrantLock可以定義公平鎖；Lock是接?，synchronized是java中的關鍵字

ReentrantLock 就是基于 AQS 實作的，如下圖所示，ReentrantLock 內部有公平鎖和?公平鎖兩種實作，差別就在于新來的執行緒是否?已經在同步佇列中的等待執行緒更早獲得鎖，
公平鎖： 非常公平， 不能夠插隊，必須先來后到！
非公平鎖：非常不公平，可以插隊 （默認都是非公平）,但公平鎖需多維護?個鎖執行緒佇列，效率低

從圖中可以看到，ReentrantLock??有?個內部類Sync，Sync繼承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加鎖和釋放鎖的?部分操作實際上都是在Sync中實作的，
它有公平鎖FairSync和?公平鎖NonfairSync兩個?類，
ReentrantLock默認使??公平鎖，也可以通過構造器來顯示的指定使?公平鎖，

ReentrantLock原理（CAS+AQS）

CAS+AQS佇列來實作
（1）：先通過CAS嘗試獲取鎖， 如果此時已經有執行緒占據了鎖，那就加?AQS佇列并且被掛起；
（2）： 當鎖被釋放之后， 排在隊?的執行緒會被喚醒CAS再次嘗試獲取鎖，
（3）：如果是?公平鎖， 同時還有另?個執行緒進來嘗試獲取可能會讓這個執行緒搶到鎖；
（4）：如果是公平鎖， 會排到隊尾，由隊?的執行緒獲取到鎖，

ReentrantLock如何避免死鎖?
?回應中斷lockInterruptibly（）
?可輪詢鎖tryLock（）
?定時鎖tryLock（long time）
tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的區別
（1）：tryLock 能獲得鎖就回傳 true，不能就?即回傳 false， （2）：tryLock（long timeout，TimeUnit unit），可以增加時間限制，如果超過該時間段還沒獲得
鎖，回傳 false
（3）：lock 能獲得鎖就回傳 true，不能的話?直等待獲得鎖

JUC輔助工具類—Semaphore（計數信號量）

和 ReentrantLock 實作?式類似，Semaphore 也是基于 AQS 的，差別在于 ReentrantLock 是獨占鎖，Semaphore 是共享鎖，
什么是信號量Semaphore（共享鎖）
信號量是?種固定資源的限制的?種并發?具包，基于AQS實作的，在構造的時候會設定?個值，代表著資源數量，信號量主要是應?于是?于多個共享資源的互斥使?，和?于并發執行緒數的控制（druid的資料庫連接數，就是?這個實作的），信號量也分公平和?公平的情況，基本?式和reentrantLock差不多，在請求資源調?task時，會??旋的?式減1，如果成功，則獲取成功了，如果失敗，導致資源數變為了0，就會加?佇列??去等待，調?release的時候會加?，補充資源,并喚醒等待佇列，
程序：
semaphore.acquire() 獲得，假設如果已經滿了，等待，等待被釋放為止！
semaphore.release(); 釋放，會將當前的信號量釋放 + 1，然后喚醒等待的執行緒！

作用： 多個共享資源互斥的使用！并發限流，控制最大的執行緒數！

Semaphore 應?
acquire（） release（） 可?于物件池，資源池的構建，?如靜態全域物件池，資料庫連接池；
可創建計數為1的S，作為互斥鎖（?元信號量）

JUC輔助工具類—CountDownLatch

允許一個或多個執行緒等待直到在其他執行緒中執行的一組操作完成的同步輔助，用來協調多個執行緒之間的同步，或者說起到執行緒之間的通信，
能夠使一個執行緒在等待另外一些執行緒完成各自作業之后，再繼續執行，
程序：
countDownLatch.countDown(); // 數量-1
countDownLatch.await(); // 等待計數器歸零，然后再向下執行
每次有執行緒呼叫 countDown() 數量-1，假設計數器變為0，countDownLatch.await() 就會被喚醒，繼續執行！

CountDownLatch的不足
CountDownLatch是一次性的，計算器的值只能在構造方法中初始化一次，之后沒有任何機制再次對其設定值，當CountDownLatch使用完畢后，它不能再次被使用

JUC輔助工具類—CyclicBarrier（加法計數器）

CyclicBarrier字面意思是“可重復使用的柵欄”，它是 ReentrantLock 和 Condition 的組合使用，

允許一組執行緒全部等待彼此達到共同屏障點的同步輔助， 回圈阻塞在涉及固定大小的執行緒方的程式中很有用，這些執行緒必須偶爾等待彼此， 屏障被稱為回圈 ，因為它可以在等待的執行緒被釋放之后重新使用，
如旅游時要等全部人都到齊了才出發，比賽時要等運動員都上場后才開始，

CyclicBarrier與CountDownLatch的區別

CountDownLatch和CyclicBarrier的比較

?CountDownLatch是執行緒組之間的等待，即一個(或多個)執行緒等待N個執行緒完成某件事情之后再執行；而CyclicBarrier則是執行緒組內的等待，即每個執行緒相互等待，即N個執行緒都被攔截之后，然后依次執行，
? CountDownLatch是減計數方式，而CyclicBarrier是加計數方式，
?CountDownLatch計數為0無法重置，而CyclicBarrier計數達到初始值，則可以重置，
?CountDownLatch不可以復用，而CyclicBarrier可以復用，

ReentrantReadWriteLock讀寫鎖（非公平鎖）

對共享資源有讀和寫的操作，且寫操作沒有讀操作那么頻繁，在沒有寫操作的時候，多個執行緒同時讀一個資源沒有任何問題，所以應該允許多個執行緒同時讀取共享資源；但是如果一個執行緒想去寫這些共享資源，就不應該允許其他執行緒對該資源進行讀和寫的操作了
ReentrantReadWriteLock 能夠兼顧資料操作的原子性和讀寫的性能，
讀可以被多執行緒同時讀，但寫只能一個執行緒寫

• 獨占鎖（寫鎖） 一次只能被一個執行緒占有
• 共享鎖（讀鎖） 多個執行緒可以同時占有
• ReadWriteLock
• 讀-讀 可以共存！
• 讀-寫 不能共存！
• 寫-寫 不能共存！

讀鎖
讀鎖是一個共享鎖，讀鎖是 ReentrantReadWriteLock 的內部靜態類，它的 lock()、trylock()、unlock() 都是委托 Sync 類實作，
Sync 是真正實作讀寫鎖功能的類，它繼承AbstractQueuedSynchronizer

寫鎖
寫鎖是一個排他鎖，寫鎖也是 ReentrantReadWriteLock 的內部靜態類，它的 lock()、trylock()、unlock() 也都是委托 Sync 類實作，寫鎖的代碼類似于讀鎖，但是在同一時刻寫鎖是不能被多個執行緒所獲取，它是獨占式鎖，
寫鎖可以降級成讀鎖
鎖降級
鎖降級是指先獲取寫鎖，再獲取讀鎖，然后再釋放寫鎖的程序 ，鎖降級是為了保證資料的可見性，鎖降級是 ReentrantReadWriteLock 重要特性之一，
值得注意的是，ReentrantReadWriteLock 并不能實作鎖升級

如果讀寫鎖當前沒有讀者，也沒有寫者，那么寫者可以立刻獲的讀寫鎖，否則必須自旋，直到沒有任何的寫鎖或者讀鎖存在，如果讀寫鎖沒有寫鎖，那么讀鎖可以立馬獲取，否則必須等待寫鎖釋放，(但是有一個例外，就是讀寫鎖中的鎖降級操作，當同一個執行緒獲取寫鎖后，在寫鎖沒有釋放的情況下可以獲取讀鎖再釋放讀鎖這就是鎖降級的一個程序)

ReentrantReadWriteLock 讀寫鎖適用于讀多寫少的場景，以提高系統的并發性