首先，我们先来看下线程安全性的定义，为什么需要锁?
线程安全，即在多线程编程中，一个程序或者代码段在并发访问时，能够正确地保持其预期的行为和状态，而不会出现意外的错误或者不一致的结果。
而解决线程安全问题，主要分为两大类：1、无锁；2、有锁。
无锁的方式有：
- 局部变量；
- 对象加 final 为不可变对象；
- 使用 ThreadLocal 作为线程副本对象；
- CAS，Compare-And-Swap 即比较并交换，是 Java 十分常见的无锁实现方式。
小白：那有锁的方式呢，怎么通过加锁保证线程安全呢？
别急哈，下面听我给你一一道来。
Java 有哪些锁？
从加锁的策略看，分为隐式锁和显示锁。隐式锁通过 Synchronized 实现，显示锁通过 Lock 实现。
- 乐观锁：顾名思义，它是一种基于乐观的思想，认为读取的数据一般不会冲突，不会对其加锁，而是在最后提交数据更新时判断数据是否被更新，如果冲突，则更新不成功。
- 悲观锁：它总是假设最坏的情况，每次读取数据都认为别人会更新，所以每次读取数据的时候都会加锁，这样别人就得阻塞等待它处理完释放锁后才能去读取。
乐观锁实现：CAS，比较并交换，通常指的是这样一种原子操作：针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同，如果相同，就给它赋一个新值。
但是，这一篇我们主要来看下悲观锁的一些常用实现。
syncroized 是什么？
syncronized 是 Java 中的一个关键字，用于控制对共享资源的并发访问，从而防止多个线程同时访问某个特定资源，这被称为同步。这个关键字可以用来修饰方法或代码块。
syncronized 使用对象锁保证临界区内代码的原子性
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小白：synchronized 的底层原理是什么呀，怎么自己就完成加锁释放锁操作了？
其实 synchronized 的原理也不难，主要有以下两个关键点。
- synchronized 又被称为监视器锁，基于 Monitor 机制实现的，主要依赖底层操作系统的互斥原语 Mutex（互斥量）。Monitor 类比加了锁的房间，一次只能有一个线程进入，进入房间即持有 Monitor，退出后就释放 Monitor。
- 另一个关键点是 Java 对象头，在 JVM 虚拟机中，对象在内存中的存储结构有三部分：对象头；实例数据；对齐填充。
对象头主要包括标记字段 Mark World，元数据指针，如果是数组对象的话，对象头还必须存储数组长度。
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synchronized 也是基于此，通过锁对象的 monitor 获取和 monitor 释放来实现，对象头标记为存储具体锁状态，ThreadId 记录持有偏向锁的线程 ID。
这里，又引申另外出一个问题：你知道什么是偏向锁呢？
小白：不知道，啥玩意？
synchronized 锁升级过程
说到这里，那就不得不提及 synchronized 的锁升级机制了，因为 synchronized 的加锁释放锁操作会使得 CPU 在内核态和户态之间发生切换，有一定性能开销。在 JDK1.5 版本以后，对 synchronized 做了锁升级的优化，主要利用轻量级锁、偏向锁、自适应锁等减少锁操作带来的开销，对其性能做了很大提升。
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- 无锁：没有对资源进行加锁
- 偏向锁：在大部分情况下，只有一个线程访问修改资源，该线程自动获取锁，降低了锁操作的代价，这里就通过对象头的 ThreadId 记录线程 ID。
- 轻量级锁：当前持有偏向锁，当有另外的线程来访问后，偏向锁会升级为轻量级锁，别的线程通过自旋形式尝试获取锁，不会阻塞，以提高性能。
- 重量级锁：在自旋次数或时间超过一定阈值时，最后会升级为重量级锁。
小白：哦哦原来如此，那刚刚你说了 Java 除了隐式锁之外，还有显示锁呢？
ReentrantLock 简介
在 Java 中，除了对象锁，还有显示的加锁的方式，比如 Lock 接口，用得比较多的就是 ReentrantLock。它的特性如下：
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下面我们再来对比看下 ReentrantLock 和 synchronized 的区别
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从这些对比就能看出 ReentrantLock 使用更加的灵活，特性更加丰富。
ReentrantLock 是一个悲观锁，即是同一个时刻，只允许一个线程访问代码块，这一点 synchronized 其实也一样。
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小白：这个是挺好用的，但是我们有一些读多写少的场景中比如缓存，大部分时间都是读操作，这里每个操作都要加锁，读性能不是很差吗，有没有更好的方案实现这种场景呀？
当然有的，比如 ReentrantReadWriteLock，读写锁。
ReentrantReadWriteLock 介绍
针对上述场景，Java 提供了读写锁 ReentrantReadWriteLock，它的内部维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，称为读锁；一个用于写入操作，称为写锁。
/** Inner class providing readlock */
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
/** Inner class providing writelock */
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
/** Performs all synchronization mechanics */
final Sync sync;使用核心代码如下：
public class LocalCacheService {
static Map<String, Object> localCache = new HashMap<>();
static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock readL = lock.readLock();
static Lock writeL = lock.writeLock();
public static Object read(String key) {
readL.lock();
try {
return localCache.get(key);
} finally {
readL.unlock();
}
}
public static Object save(String key, String value) {
writeL.lock();
try {
return localCache.put(key, value);
} finally {
writeL.unlock();
}
}
}在 ReentrantReadWriteLock 中，多个线程可以同时读取一个共享资源。
当有其他线程的写锁时，读线程会被阻塞，反之一样。
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读写锁设计思路
这里有一个关键点，就是在 ReentrantLock 中，使用 AQS 的 state 表示同步状态，表示锁被一个线程重复获取的次数。但是在读写锁 ReentrantReadWriteLock 中，如何用一个变量维护这两个状态呢？
实际 ReentrantReadWriteLock 采用“高低位切割”的方式来维护，将 state 切分为两部分：高 16 位表示读；低 16 位表示写。
分割之后，通过位运算，假设当前状态为 S，那么：
- 写状态=S&0x0000FFFF（将高 16 位全部移除），当写状态需要加 1，S+1 再运算即可。
- 读状态=S>>>16（无符号补 0 右移 16 位），当读状态需要加 1，计算 S+（1<<16）。
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这时，我们再来思考下，如果有线程正在读，写线程需要等待读线程释放锁才能获取锁，也就是读的时候不允许写，那么有没有更好的方式改进呢？
小白：emm，这个真的难倒我了。。。。。。
什么是 StampedLock？
哈哈莫慌，Java8 已经引入了新的读写锁，StampedLock。它和 ReentrantReadWriteLock 相比，区别在于读过程允许获取写锁写入，在原来读写锁的基础上加了一种乐观锁机制，该模式不会阻塞写锁，只是最后会对比原来的值，有着更高的并发性能。
StampedLock 三种模式如下：
- 独占锁：和 ReentrantReadWriteLock 一样，同一时刻只能有一个写线程获取资源
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- 悲观读锁：允许多个线程获取读锁，但是读写互斥。
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- 乐观读：没有加锁，允许多个线程获取乐观读和读锁，同时允许一个写线程获取写锁。
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小白：那这里可以允许多个读操作和也给写线程同时进入共享资源操作，那读取的数据被改了怎么办啊？？
别担心，乐观读不能保证读到的数据是最新的，所以当把数据读取到局部变量的时候需要通过 lock.validate 方法来校验是否被修改过，如果是改过了那么就加上悲观读锁，再重新读取数据到局部变量。
