前言
在正式开始了解 synchronized 之前，需要先理解一些关于锁策略的基本知识，了解乐观锁、悲观锁、公平锁、非公平锁、可重入锁、不可重入锁的一些基本概念。
一、常见的锁策略
1.1 乐观锁 vs 悲观锁
乐观锁 ：假设数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。
悲观锁：总是假设最坏的情况，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阻塞直到它拿到锁。
简言之，乐观锁就是预测某场景中，不太会出现锁冲突的情况；悲观锁就是预测某场景中非常容易出现锁冲突。
举个例子: 同学A 和 同学B 想请教老师一个问题.
同学A 认为"老师是比较忙的, 我来问问题, 老师不一定有空解答"。因此同学A 会先给老师发消息: "老师，你忙嘛? 我下午两点能来找你问个问题嘛?" (相当于加锁操作) 得到肯定的答复之后, 才会真的来问问题。如果得到了否定的答复, 那就等一段时间, 下次再来和老师确定时间。这个是悲观锁.
同学B 认为"老师是比较闲的, 我来问问题, 老师大概率是有空解答的"。因此同学B 直接就来找老师。(没加锁, 直接访问资源) 如果老师确实比较闲, 那么直接问题就解决了. 如果老师这会确实很忙, 那么同学B 也不会打扰老师, 就下次再来(虽然没加锁, 但是能识别出数据访问冲突)。这个是乐观锁。
- 这两种思路不能说谁优谁劣, 而是看当前的场景是否合适。
- 如果当前老师确实比较忙, 那么使用悲观锁的策略更合适, 使用乐观锁会导致 "白跑很多趟", 耗费额外的资源。
- 如果当前老师确实比较闲, 那么使用乐观锁的策略更合适, 使用悲观锁会让效率比较低。
Synchronized 初始使用乐观锁策略，当发现锁竞争比较频繁的时候, 就会自动切换成悲观锁策略。
就好比同学 C 开始认为 "老师比较闲的", 问问题都会直接去找老师。但是直接来找两次老师之后, 发现老师都挺忙的, 于是下次再来问问题, 就先发个消息问问老师忙不忙, 再决定是否来问问题。
乐观锁的一个重要功能就是要检测出数据是否发生访问冲突，我们可以引入一个 "版本号" 来解决
假设我们需要多线程修改 "用户账户余额"。
设当前余额为 100，引入一个版本号 version, 初始值为 1，并且我们规定 "提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新余额。
1) 线程 A 此时准备将其读出（ version=1, balance=100 ），线程 B 也读入此信息（ version=1,
balance=100 ）
2) 线程 A 操作的过程中从其帐户余额中扣除 50（ 100-50 ），线程 B 从其帐户余额中扣除 20
（ 100-20 ）
3) 线程 A 完成修改工作，将数据版本号加1（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=50
），写回到内存中
4) 线程 B 完成了操作，也将版本号加1（ version=2 ）试图向内存中提交数据（ balance=80
），但此时比对版本发现，线程 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录的当前版本也为 2 ，不
满足 “提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新“ 的乐观锁策略。就认为这次操作失败
1.2 读写锁
多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读取之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。
读写锁：在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，读取操作之间并不互斥，而写入操作则要求与任何操作互斥。
一个线程对于数据的访问, 主要存在两种操作: 读数据 和 写数据
- 两个线程都只是读一个数据, 此时并没有线程安全问题，直接并发的读取即可
- 两个线程都要写一个数据, 有线程安全问题
- 一个线程读另外一个线程写, 也有线程安全问题
读写锁就是把读操作和写操作区分对待。Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 类, 实现了读写锁。
- ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行 加锁解锁
- ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象也提供了 lock / unlock 方法进 行加锁解锁
其中：
- 读加锁和读加锁之间, 不互斥
- 写加锁和写加锁之间, 互斥
- 读加锁和写加锁之间, 互斥
读写锁特别适合于 "频繁读, 不频繁写" 的场景中。
Synchronized 不是读写锁。
1.3 重量级锁 vs 轻量级锁
锁的核心特性 "原子性", 这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的：
- CPU 提供了 "原子操作指令"
- 操作系统基于 CPU 的原子指令, 实现了 mutex 互斥锁
- JVM 基于操作系统提供的互斥锁, 实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类
注意：
synchronized 并不仅仅是对 mutex 进行封装, 在 synchronized 内部还做了很多其他的工作
重量级锁: 加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex
- 大量的内核态用户态切换
- 很容易引发线程的调度
简言之，重量级锁就是：加锁开销比较大，花的时间多，占用系统资源多。（一个悲观锁，很可能是重量级锁）。
轻量级锁就是：加锁开销比较小，花的时间小，占用系统资源少。 （一个乐观锁，很可能是轻量级锁）。
这两个操作, 成本比较高，一旦涉及到用户态和内核态的切换, 就意味着 "沧海桑田" 。
轻量级锁: 加锁机制尽可能不使用 mutex, 而是尽量在用户态代码完成，实在搞不定了, 再使用 mutex。
- 少量的内核态用户态切换
- 不太容易引发线程调度
理解用户态 vs 内核态：
想象去银行办业务，在窗口外, 自己办理相关业务, 这是用户态，用户态的时间成本是比较可控的。在窗口内, 工作人员做, 这是内核态，内核态的时间成本是不太可控的。如果办业务的时候反复和工作人员沟通, 还需要重新排队, 这时效率是很低的。
synchronized 开始是一个轻量级锁， 如果锁冲突比较严重, 就会变成重量级锁。
1.4 自旋锁
线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃CPU，需要过很久才能再次被调度。但实际上, 大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。没必要就放弃CPU，这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题。
自旋锁伪代码:
while (抢锁(lock) == 失败) {}
如果获取锁失败, 立即再尝试获取锁, 无限循环, 直到获取到锁为止。第一次获取锁失败, 第二次的尝试会在极短的时间内到来。一旦锁被其他线程释放, 就能第一时间获取到锁。
理解自旋锁 vs 挂起等待锁
想象一下, 去追求一个女神，当男生向女神表白后, 女神说: 你是个好人, 但是我有男朋友了~~
挂起等待锁: 在发现女神已经有男朋友之后，(锁被占用了)，就不再继续死缠烂打了.... 过了很久很久之后, 突然了解到女神单身了，才会继续联系女神。 (注意, 这个很长的时间间隔里, 女神可能已经换了好几个男票了)。
自旋锁: 死皮赖脸坚韧不拔. 仍然每天持续的和女神说早安晚安，一旦女神和上一任分手, 那么就能立刻抓住机会上位。
自旋锁是一种典型的 轻量级锁 的实现方式：
- 优点: 没有放弃 CPU, 不涉及线程阻塞和调度, 一旦锁被释放, 就能第一时间获取到锁。
- 缺点: 如果锁被其他线程持有的时间比较久, 那么就会持续的消耗 CPU 资源。 (而挂起等待的时候是不消耗 CPU 的)。
synchronized 中的轻量级锁策略大概率就是通过自旋锁的方式实现的。
1.5 公平锁 vs 非公平锁
假设三个线程 A, B, C。A 先尝试获取锁, 获取成功。 然后 B 再尝试获取锁, 获取失败, 阻塞等待; 然后 C 也尝试获取锁, C 也获取失败, 也阻塞等待。当线程 A 释放锁的时候, 会发生啥呢?
公平锁: 遵守 "先来后到"。B 比 C 先来的， 当 A 释放锁的之后, B 就能先于 C 获取到锁。
非公平锁: 不遵守"先来后到"。B 和C 都有可能获取到锁。
注意:
- 操作系统内部的线程调度就可以视为是随机的。如果不做任何额外的限制, 锁就是非公平锁， 如果要想实现公平锁, 就需要依赖额外的数据结构, 来记录线程们的先后顺序。
- 公平锁和非公平锁没有好坏之分, 关键还是看适用场景。
synchronized 是非公平锁。
1.6 可重入锁 vs 不可重入锁
可重入锁：可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。
比如一个递归函数里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因可重入锁也叫做递归锁）。Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括synchronized关键字锁都是可重入的。
不可重入锁：
理解 "把自己锁死：一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁。
// 第一次加锁, 加锁成功 lock(); // 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待. lock();
按照上述对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待。直到第一次的锁被释放, 才能获取到第二个锁。 但是释放第一个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经躺平了, 啥都不想干了, 也就无法进行解锁操作，这时候就会 死锁。
这样的锁称为 不可重入锁。
synchronized 是可重入锁。
二、锁策略常见问题
2.1 理解乐观锁和悲观锁的以及具体实现
悲观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率较大, 会在每次访问共享变量之前都去真正加锁。
乐观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率不大，并不会真的加锁, 而是直接尝试访问数据。 在访问的同时识别当前的数据是否出现访问冲突。
悲观锁的实现就是先加锁(比如借助操作系统提供的 mutex), 获取到锁再操作数据，获取不到锁就等待。
乐观锁的实现可以引入一个版本号，借助版本号识别出当前的数据访问是否冲突。
2.2 读写锁的基本介绍
- 读写锁就是把读操作和写操作分别进行加锁
- 读锁和读锁之间不互斥
- 写锁和写锁之间互斥
- 写锁和读锁之间互斥
- 读写锁最主要用在 "频繁读, 不频繁写" 的场景中
2.3 关于自旋锁
如果获取锁失败, 立即再尝试获取锁, 无限循环, 直到获取到锁为止，第一次获取锁失败, 第二次的尝试会在极短的时间内到来。 一旦锁被其他线程释放, 就能第一时间获取到锁。
相比于挂起等待锁：
- 优点：没有放弃 CPU 资源, 一旦锁被释放就能第一时间获取到锁, 更高效。 在锁持有时间比较短的场景下非常有用。
- 缺点: 如果锁的持有时间较长, 就会浪费 CPU 资源
2.4 synchronized 是否是可重入锁
是可重入锁。
可重入锁指的就是连续两次加锁不会导致死锁。
实现的方式是在锁中记录该锁持有的线程身份, 以及一个计数器(记录加锁次数)，如果发现当前加锁的线程就是持有锁的线程, 则直接计数自增。
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