java中的公平锁、非公平锁、可重入锁、递归锁、自旋锁、独占锁和共享锁

一、公平锁与非公平锁

1.1 概述

       公平锁：是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
        非公平锁：是指在多线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取到锁，在高并发的情况下，有可能造成优先级反转或者饥饿现象。饥饿现象就是低优先级的线程可能一直拿不到锁，而一直处于等待状态。

1.2 区别

       公平锁：Threads acquire a fair lock in the order in which they requested it.
        公平锁，就是很公平，在并发环境中，每个线程在获取锁时会先查看此锁维护的等待队列，如果为空，或者当前线程是等待队列的第一个，就占有锁，否则就会加入到等待队列中，以后会按照 FIFO 的规则从队列中取到自己。
        非公平锁：a nonfair lock permits barging: threads requesting a lock can jump ahead of the queue of waiting threads if the lock happens to be available when it is requested.
        非公平锁比较粗鲁，上来就直接尝试占有锁，如果尝试失败，就再采用类似公平锁那种方式。而且，非公平锁比公平锁的吞吐量大。

1.3 Java 中的一些公平锁和非公平锁

       1. java 中的 ReentrantLock，默认是非公平锁，当参数 fair 为 true 时，就是公平锁。

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
 * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
 */
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock} with the
 * given fairness policy.
 *
 * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
 */
public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

       2. synchronized 也是一种非公平锁。

二、可重入锁与不可重入锁

2.1 概述

       可重入锁(也叫做递归锁)： 指的是同一线程外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然能获取该锁的代码，在同一个线程在外层方法获取锁的时候，在进入内层方法会自动获取锁，也就是说，线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块。可重入锁最大的作用就是避免死锁。

       不可重入锁，即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。

2.2 java 中的可重入锁

2.2.1 synchronized 锁

class Phone {
    public synchronized void sendSMS() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " send SMS...");
        sendEmail();
    }

    public synchronized void sendEmail() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " send email...");
    }
}

public class ReentrantLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(() -> {
            phone.sendSMS();
        }, "Thread1").start();

        new Thread(() -> {
            phone.sendSMS();
        }, "Thread2").start();
    }
}

2.2.2 ReentrantLock

class Phone implements Runnable {
    Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        get();
    }

    public void get() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get method...");
            set();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void set() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " set method...");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class ReentrantLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        Thread thread3 = new Thread(phone, "Thread3");
        Thread thread4 = new Thread(phone, "Thread4");
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}

2.3 面试题

      使用 ReentrantLock 时，如果加入两层锁呢，程序是直接报编译错误，还是正常运行，正常运行的话，能得到预期的结果吗？

class Phone implements Runnable {

    // ...

    public void get() {
        lock.lock();
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get method...");
            set();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

    // ...
}

       当缺少 unlock() 时（也就是，lock 和 unlock不是一一对应，lock 比 unlock 多 ），程序不会报编译错误，但得不到预期的结果，从下面可以看出，程序一直处于运行的状态：

       当缺少 lock() 时（也就是，unlock 比 lock 多 ），此时，程序也不会报编译错误，控制台也输出了结果，但是抛出了 IllegalMonitorStateException 异常。

三、自旋锁

3.1 概述

       自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU。

3.2 java 中的自旋锁

// Unsafe.java
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

3.3 手写一个自旋锁

public class SpinLockDemo {

    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void myLock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(thread.getName() + " come in...");
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {

        }
    }

    public void myUnLock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
        System.out.println(thread.getName() + " come out...");
    }

    public static void main(String[] args) {

        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "Thread1").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLockDemo.myUnLock();
        }, "Thread2").start();
    }
}

四、写锁（独占锁）、读锁（共享锁）和互斥锁

4.1 概述

       独占锁：指该锁一次只能被一个线程所持有。对 ReentrantLock 和 Synchronized 而言都是独占锁。
        共享锁：指该锁可被多个线程所持有。
        对 ReentrantReadWriteLock 其读锁是共享锁，其写锁是独占锁。
        读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的，读写，写读，写写的过程是互斥的。

4.2 示例（模拟缓存）

4.2.1 加锁前：

       数据写入的时候，被打断：

class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();

    public void put(String key, Object value) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在写入：" + key);
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        map.put(key, value);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完成");
    }

    public void get(String key) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在读取");
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Object result = map.get(key);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取完成：" + result);
    }
}

public class ReadWriteLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCache myCache = new MyCache();

        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(temp + "", temp + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            final int temp = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(temp + "");
            }, String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

4.2.2 加锁后：

       写入时正常，不会中断；读取时，可以共享锁。

class MyCache {

    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    private ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void put(String key, Object value) {
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在写入：" + key);
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            map.put(key, value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入完成");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public void get(String key) {
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在读取");
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Object result = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取完成：" + result);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }
}