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来源：阿里巴巴中间件
在计算机行业有一个定律叫"摩尔定律"，在此定律下，计算机的性能突飞猛进，而且价格也随之越来越便宜， CPU 从单核到了多核，缓存性能也得到了很大提升，尤其是多核 CPU 技术的到来，计算机同一时刻可以处理多个任务。在硬件层面的发展带来的效率极大提升中，软件层面的多线程编程已经成为必然趋势，然而多线程编程就会引入数据安全性问题，有矛必有盾，于是发明了“锁”来解决线程安全问题。在这篇文章中，总结了 Java 中几把经典的 JVM 级别的锁。
synchronized 关键字是一把经典的锁，也是我们平时用得最多的。
在 JDK1.6 之前， syncronized 是一把重量级的锁，不过随着 JDK 的升级，也在对它进行不断的优化，如今它变得不那么重了，甚至在某些场景下，它的性能反而优于轻量级锁。
在加了 syncronized 关键字的方法、代码块中，一次只允许一个线程进入特定代码段，从而避免多线程同时修改同一数据。
在 JDK1.5 (含)之前， synchronized 的底层实现是重量级的，所以之前一致称呼它为"重量级锁"，在 JDK1.5 之后，对 synchronized 进行了各种优化，它变得不那么重了，实现原理就是锁升级的过程。我们先聊聊 1.5 之后的 synchronized 实现原理是怎样的。说到 synchronized 加锁原理，就不得不先说 Java 对象在内存中的布局， Java 对象内存布局如下:
如上图所示，在创建一个对象后，在 JVM 虚拟机( HotSpot )中，对象在 Java 内存中的存储布局 可分为三块:
存储 hashCode、GC 分代年龄、锁类型标记、偏向锁线程 ID 、 CAS 锁指向线程 LockRecord 的指针等， synconized 锁的机制与这个部分( markwork )密切相关，用 markword 中最低的三位代表锁的状态，其中一位是偏向锁位，另外两位是普通锁位。
2、对象类型指针( Class Pointer )
对象指向它的类元数据的指针、 JVM 就是通过它来确定是哪个 Class 的实例。
此处存储的是对象真正有效的信息，比如对象中所有字段的内容
JVM 的实现 HostSpot 规定对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话来说，现在 64 位的 OS 往外读取数据的时候一次性读取 64bit 整数倍的数据，也就是 8 个字节，所以 HotSpot 为了高效读取对象，就做了"对齐"，如果一个对象实际占的内存大小不是 8byte 的整数倍时，就"补位"到 8byte 的整数倍。所以对齐填充区域的大小不是固定的。
当线程进入到 synchronized 处尝试获取该锁时， synchronized 锁升级流程如下：
如上图所示， synchronized 锁升级的顺序为：偏向锁->轻量级锁->重量级锁，每一步触发锁升级的情况如下：
在 JDK1.8 中，其实默认是轻量级锁，但如果设定了 -XX:BiasedLockingStartupDelay = 0 ，那在对一个 Object 做 syncronized 的时候，会立即上一把偏向锁。当处于偏向锁状态时， markwork 会记录当前线程 ID 。
当下一个线程参与到偏向锁竞争时，会先判断 markword 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等，如果不相等，会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。每个线程在自己的线程栈中生成一个 LockRecord ( LR )，然后每个线程通过 CAS (自旋)的操作将锁对象头中的 markwork 设置为指向自己的 LR 的指针，哪个线程设置成功，就意味着获得锁。关于 synchronized 中此时执行的 CAS 操作是通过 native 的调用 HotSpot 中 bytecodeInterpreter.cpp 文件 C++ 代码实现的，有兴趣的可以继续深挖。
如果锁竞争加剧(如线程自旋次数或者自旋的线程数超过某阈值， JDK1.6 之后，由 JVM 自己控制该规则)，就会升级为重量级锁。此时就会向操作系统申请资源，线程挂起，进入到操作系统内核态的等待队列中，等待操作系统调度，然后映射回用户态。在重量级锁中，由于需要做内核态到用户态的转换，而这个过程中需要消耗较多时间，也就是"重"的原因之一。
synchronized 拥有强制原子性的内部锁机制，是一把可重入锁。因此，在一个线程使用 synchronized 方法时调用该对象另一个 synchronized 方法，即一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是永远可以拿到锁的。在 Java 中线程获得对象锁的操作是以线程为单位的，而不是以调用为单位的。synchronized 锁的对象头的 markwork 中会记录该锁的线程持有者和计数器，当一个线程请求成功后， JVM 会记下持有锁的线程，并将计数器计为1。此时其他线程请求该锁，则必须等待。而该持有锁的线程如果再次请求这个锁，就可以再次拿到这个锁，同时计数器会递增。当线程退出一个 synchronized 方法/块时，计数器会递减，如果计数器为 0 则释放该锁锁。
synchronized 是一把悲观锁(独占锁)，当前线程如果获取到锁，会导致其它所有需要锁该的线程等待，一直等待持有锁的线程释放锁才继续进行锁的争抢。
ReentrantLock 从字面可以看出是一把可重入锁，这点和 synchronized 一样，但实现原理也与 syncronized 有很大差别，它是基于经典的 AQS(AbstractQueueSyncronized) 实现的, AQS 是基于 volitale 和 CAS 实现的，其中 AQS 中维护一个 valitale 类型的变量 state 来做一个可重入锁的重入次数，加锁和释放锁也是围绕这个变量来进行的。
ReentrantLock 也提供了一些 synchronized 没有的特点，因此比 synchronized 好用。
ReentrantLock 和 syncronized 关键字一样，都是可重入锁，不过两者实现原理稍有差别， RetrantLock 利用 AQS 的的 state 状态来判断资源是否已锁，同一线程重入加锁， state 的状态 +1 ; 同一线程重入解锁, state 状态 -1 (解锁必须为当前独占线程，否则异常); 当 state 为 0 时解锁成功。
synchronized 关键字是自动进行加锁、解锁的，而 ReentrantLock 需要 lock() 和 unlock() 方法配合 try/finally 语句块来完成，来手动加锁、解锁。
synchronized 关键字无法设置锁的超时时间，如果一个获得锁的线程内部发生死锁，那么其他线程就会一直进入阻塞状态，而 ReentrantLock 提供 tryLock 方法，允许设置线程获取锁的超时时间，如果超时，则跳过，不进行任何操作，避免死锁的发生。
synchronized 关键字是一种非公平锁，先抢到锁的线程先执行。而 ReentrantLock 的构造方法中允许设置 true/false 来实现公平、非公平锁，如果设置为 true ，则线程获取锁要遵循"先来后到"的规则，每次都会构造一个线程 Node ，然后到双向链表的"尾巴"后面排队，等待前面的 Node 释放锁资源。
ReentrantLock 中的 lockInterruptibly() 方法使得线程可以在被阻塞时响应中断，比如一个线程 t1 通过 lockInterruptibly() 方法获取到一个可重入锁，并执行一个长时间的任务，另一个线程通过 interrupt() 方法就可以立刻打断 t1 线程的执行，来获取t1持有的那个可重入锁。而通过 ReentrantLock 的 lock() 方法或者 Synchronized 持有锁的线程是不会响应其他线程的 interrupt() 方法的，直到该方法主动释放锁之后才会响应 interrupt() 方法。
ReentrantReadWriteLock (读写锁)其实是两把锁，一把是 WriteLock (写锁)，一把是读锁， ReadLock 。
读写锁的规则是：
读读不互斥、读写互斥、写写互斥。
在一些实际的场景中，读操作的频率远远高于写操作，如果直接用一般的锁进行并发控制的话，就会读读互斥、读写互斥、写写互斥，效率低下，读写锁的产生就是为了优化这种场景的操作效率。
一般情况下独占锁的效率低来源于高并发下对临界区的激烈竞争导致线程上下文切换。
因此当并发不是很高的情况下，读写锁由于需要额外维护读锁的状态，可能还不如独占锁的效率高，因此需要根据实际情况选择使用。
ReentrantReadWriteLock 的原理也是基于 AQS 进行实现的，与 ReentrantLock 的差别在于 ReentrantReadWriteLock 锁拥有共享锁、排他锁属性。读写锁中的加锁、释放锁也是基于 Sync (继承于 AQS )，并且主要使用 AQS 中的 state 和 node 中的 waitState 变量进行实现的。实现读写锁与实现普通互斥锁的主要区别在于需要分别记录读锁状态及写锁状态，并且等待队列中需要区别处理两种加锁操作。ReentrantReadWriteLock 中将 AQS 中的 int 类型的 state 分为高 16 位与第 16 位分别记录读锁和写锁的状态，如下图所示：
WriteLock(写锁)是悲观锁(排他锁、互斥锁)
通过计算 state&((1<<16)-1) ，将 state 的高 16 位全部抹去，因此 state 的低位记录着写锁的重入计数。
/** * 获取写锁 Acquires the write lock. * 如果此时没有任何线程持有写锁或者读锁，那么当前线程执行CAS操作更新status， * 若更新成功，则设置读锁重入次数为1，并立即返回 * Acquires the write lock if neither the read nor write lock
* are held by another thread * and returns immediately, setting the write lock hold count to * one. * 如果当前线程已经持有该写锁，那么将写锁持有次数设置为1，并立即返回 * If the current thread already holds the write lock then the
* hold count is incremented by one and the method returns * immediately. * 如果该锁已经被另外一个线程持有，那么停止该线程的CPU调度并进入休眠状态， * 直到该写锁被释放，且成功将写锁持有次数设置为1才表示获取写锁成功 * If the lock is held by another thread then the current
* thread becomes disabled for thread scheduling purposes and * lies dormant until the write lock has been acquired, at which * time the write lock hold count is set to one. */ public void lock() { sync.acquire(1); }/** * 该方法为以独占模式获取锁，忽略中断 * 如果调用一次该“tryAcquire”方法更新status成功，则直接返回，代表抢锁成功 * 否则，将会进入同步队列等待，不断执行“tryAcquire”方法尝试CAS更新status状态，直到成功抢到锁 * 其中“tryAcquire”方法在NonfairSync(公平锁)中和FairSync(非公平锁)中都有各自的实现 * * Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented * by invoking at least once {@link #tryAcquire}, * returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly * repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link * #tryAcquire} until success. This method can be used * to implement method {@link Lock#lock}. * * @param arg the acquire argument. This value is conveyed to * {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and * can represent anything you like. */ public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { /* * Walkthrough: * 1、如果读写锁的计数不为0，且持有锁的线程不是当前线程，则返回false * 1. If read count nonzero or write count nonzero * and owner is a different thread, fail. * 2、如果持有锁的计数不为0且计数总数超过限定的最大值，也返回false * 2. If count would saturate, fail. (This can only * happen if count is already nonzero.) * 3、如果该锁是可重入或该线程在队列中的策略是允许它尝试抢锁，那么该线程就能获取锁 * 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if * it is either a reentrant acquire or * queue policy allows it. If so, update state * and set owner. */ Thread current = Thread.currentThread(); //获取读写锁的状态 int c = getState(); //获取该写锁重入的次数 int w = exclusiveCount(c); //如果读写锁状态不为0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁 if (c != 0) { //如果写锁重入次数为0，说明有线程获取到读锁，根据“读写锁互斥”原则，返回false //或者如果写锁重入次数不为0，且获取写锁的线程不是当前线程，根据"写锁独占"原则，返回false // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0) if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; //如果写锁可重入次数超过最大次数（65535），则抛异常 if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //到这里说明该线程是重入写锁，更新重入写锁的计数(+1)，返回true // Reentrant acquire setState(c + acquires);
return true; } //如果读写锁状态为0,说明读锁和写锁都没有被获取，会走下面两个分支： //如果要阻塞或者执行CAS操作更新读写锁的状态失败，则返回false //如果不需要阻塞且CAS操作成功，则当前线程成功拿到锁，设置锁的owner为当前线程，返回true if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) return false; setExclusiveOwnerThread(current); return true; }
protected final boolean tryRelease(int releases) { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; if (free) setExclusiveOwnerThread(null); setState(nextc); return free; }
通过计算 state>>>16 进行无符号补 0 ，右移 16 位，因此 state 的高位记录着写锁的重入计数.
读锁获取锁的过程比写锁稍微复杂些，首先判断写锁是否为 0 并且当前线程不占有独占锁，直接返回；否则，判断读线程是否需要被阻塞并且读锁数量是否小于最大值并且比较设置状态成功，若当前没有读锁，则设置第一个读线程 firstReader 和 firstReaderHoldCount ；若当前线程线程为第一个读线程，则增加 firstReaderHoldCount ；否则，将设置当前线程对应的 HoldCounter 对象的值，更新成功后会在 firstReaderHoldCount 中 readHolds ( ThreadLocal 类型的)的本线程副本中记录当前线程重入数，这是为了实现 JDK1.6 中加入的 getReadHoldCount ()方法的，这个方法能获取当前线程重入共享锁的次数( state 中记录的是多个线程的总重入次数)，加入了这个方法让代码复杂了不少，但是其原理还是很简单的：如果当前只有一个线程的话，还不需要动用 ThreadLocal ，直接往 firstReaderHoldCount 这个成员变量里存重入数，当有第二个线程来的时候，就要动用 ThreadLocal 变量 readHolds 了，每个线程拥有自己的副本，用来保存自己的重入数。
public void lock() { sync.acquireShared(1); } public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); } protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; int r = sharedCount(c); if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { if (r == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current); } final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; for (;;) { int c = getState(); if (exclusiveCount(c) != 0) { if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; } else if (readerShouldBlock()) { if (firstReader == current) { } else { if (rh == null) { rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { rh = readHolds.get(); if (rh.count == 0) readHolds.remove(); } } if (rh.count == 0) return -1; } } if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { if (sharedCount(c) == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; cachedHoldCounter = rh; } return 1; } } }
释放读锁源码：
/** * Releases in shared mode. Implemented by unblocking one or more * threads if {@link #tryReleaseShared} returns true. * * @param arg the release argument. This value is conveyed to * {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted * and can represent anything you like. * @return the value returned from {@link #tryReleaseShared} */public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) {//尝试释放一次共享锁计数 doReleaseShared();//真正释放锁 return true; } return false;}/** *此方法表示读锁线程释放锁。
