二、多线程基础-乐观锁_悲观锁_重入锁_读写锁_CAS无锁机制_自旋锁

1.10乐观锁_悲观锁_重入锁_读写锁_CAS无锁机制_自旋锁
1）乐观锁：
就像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态，乐观锁认为竞争不总是会发生，因此它不需要持有锁，将 比较-设置 这两个动作作为一个原子操作尝试去修改内存中的变量，如果失败则表示发生冲突，那么就应该有相应的重试逻辑。
     乐观锁(Optimistic Lock)：顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。
2）悲观锁：
还是像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持悲观状态，悲观锁认为竞争总是会发生，因此每次对某资源进行操作时，都会持有一个独占的锁，就像synchronized，不管三七二十一，直接上了锁就操作资源了。
    悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题，在每次查询时加上排他锁。
每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
Select * from xxx for update;
3）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 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁。
锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。
synchronized锁示例：

package threadLearning.threadLock;
public class synchronizedTest implements Runnable {
    public  synchronized void get() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " get();");
        set();
    }

    public synchronized  void set() {
        System.out.println("name:" + Thread.currentThread().getName() + " set();");
    }

    public void run() {
        get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        synchronizedTest ss = new synchronizedTest();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

运行结果如下：

name:Thread-0 get();
name:Thread-0 set();
name:Thread-3 get();
name:Thread-3 set();
name:Thread-2 get();
name:Thread-2 set();
name:Thread-1 get();
name:Thread-1 set();

Lock锁示例：

package threadLearning.threadLock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest4 extends Thread {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
        lock.unlock();
    }
    public void set() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        lock.unlock();
    }
    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args) {
        LockTest4 ss = new LockTest4();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
        new Thread(ss).start();
    }
}

运行结果如下：

10
12
11

4） 读写锁：

　　相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，还是应该了解其实现背后的原理。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReentrantReadWriteLockTest {
    static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock r = rwl.readLock();
    static Lock w = rwl.writeLock();    

    // 获取一个key对应的value
    public static final Object get(String key) {
        r.lock();
        try {
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 开始");
            Thread.sleep(100);
            Object object = map.get(key);
            System.out.println("正在做读的操作,key:" + key + " 结束");
            System.out.println();
            return object;
        } catch (InterruptedException e) {

        } finally {
            r.unlock();
        }
        return key;
    }

    // 设置key对应的value，并返回旧有的value
    public static final Object put(String key, Object value) {
        w.lock();
        try {
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "开始.");
            Thread.sleep(100);
            Object object = map.put(key, value);
            System.out.println("正在做写的操作,key:" + key + ",value:" + value + "结束.");
            return object;
        } catch (InterruptedException e) {

        } finally {
            w.unlock();
        }
        return value;
    }

    // 清空所有的内容
    public static final void clear() {
        w.lock();
        try {
            map.clear();
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    ReentrantReadWriteLockTest.put(i + "", i + "");
                }

            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    ReentrantReadWriteLockTest.get(i + "");
                }

            }
        }).start();
        clear();
    }
}

运行结果如下：

正在做写的操作,key:0,value:0开始.
正在做写的操作,key:0,value:0结束.
正在做写的操作,key:1,value:1开始.
正在做写的操作,key:1,value:1结束.
正在做写的操作,key:2,value:2开始.
正在做写的操作,key:2,value:2结束.
正在做写的操作,key:3,value:3开始.
正在做写的操作,key:3,value:3结束.
正在做写的操作,key:4,value:4开始.
正在做写的操作,key:4,value:4结束.
正在做写的操作,key:5,value:5开始.
正在做写的操作,key:5,value:5结束.
正在做读的操作,key:0 开始
正在做读的操作,key:0 结束

正在做写的操作,key:6,value:6开始.
正在做写的操作,key:6,value:6结束.
正在做写的操作,key:7,value:7开始.
正在做写的操作,key:7,value:7结束.
正在做写的操作,key:8,value:8开始.
正在做写的操作,key:8,value:8结束.
正在做写的操作,key:9,value:9开始.
正在做写的操作,key:9,value:9结束.
正在做读的操作,key:1 开始
正在做读的操作,key:1 结束

正在做读的操作,key:2 开始
正在做读的操作,key:2 结束

正在做读的操作,key:3 开始
正在做读的操作,key:3 结束

正在做读的操作,key:4 开始
正在做读的操作,key:4 结束

正在做读的操作,key:5 开始
正在做读的操作,key:5 结束

正在做读的操作,key:6 开始
正在做读的操作,key:6 结束

正在做读的操作,key:7 开始
正在做读的操作,key:7 结束

正在做读的操作,key:8 开始
正在做读的操作,key:8 结束

正在做读的操作,key:9 开始
正在做读的操作,key:9 结束

5）CAS无锁机制
　　1>与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
　　2>无锁的好处：
　　第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；
　　第二，它天生就是死锁免疫的。
　　就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。
　　3>CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。
　　4>CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
　　5>简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。
　　6>在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。
6）自旋锁
　　是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。示例如下：

package threadLearning.threadLock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * 
 * @classDesc: 功能描述: 
 * @author: zjb
 * @createTime: 创建时间：2018-7-5 上午10:12:50
 * @version: v1.0
 * @copyright:
 */

public class SpinLock {
    //AtomicReference 可以用原子方式更新的对象引用。
    private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<Thread>();//使用给定的初始值创建新的 AtomicReference
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        //compareAndSet(V expect, V update) 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
        while (!sign.compareAndSet(null, current)) {
          }
    }
    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(current, null);
    }

}

package threadLearning.threadLock;
public class SpinLockTest implements Runnable {
    static int sum;
    private SpinLock lock;

    public SpinLockTest(SpinLock lock) {
        this.lock = lock;
    }

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SpinLock lock = new SpinLock();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            SpinLockTest test = new SpinLockTest(lock);
            Thread t = new Thread(test);
            t.start();
        }

        Thread.currentThread().sleep(1000);
        System.out.println(sum);
    }

    public void run() {
        this.lock.lock();
        this.lock.lock();
        sum++;
        this.lock.unlock();
        this.lock.unlock();
    }

}

运行结果如下：

　　 当一个线程 调用这个不可重入的自旋锁去加锁的时候没问题，当再次调用lock()的时候，因为自旋锁的持有引用已经不为空了，该线程对象会误认为是别人的线程持有了自旋锁使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。
当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。
7）分布式锁：--示例 会后续补充
如果想在不同的jvm中保证数据同步，使用分布式锁技术。有数据库实现、缓存实现、Zookeeper分布式锁。