java 锁介绍
ReentrantLock
从Java 5开始，引入了一个高级的处理并发的java.util.concurrent包，它提供了大量更高级的并发功能，能大大简化多线程程序的编写。
我们知道Java语言直接提供了synchronized关键字用于加锁，但这种锁一是很重，二是获取时必须一直等待，没有额外的尝试机制。
java.util.concurrent.locks包提供的ReentrantLock用于替代synchronized加锁，我们来看一下传统的synchronized代码：
public class Counter {
private int count;
public void add(int n) {
synchronized(this) {
count += n;
}
}
}
如果用ReentrantLock替代，可以把代码改造为：
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private int count;
public void add(int n) {
lock.lock();
try {
count += n;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
因为synchronized是Java语言层面提供的语法，所以我们不需要考虑异常，而ReentrantLock是Java代码实现的锁，我们就必须先获取锁，然后在finally中正确释放锁。
顾名思义，ReentrantLock是可重入锁，它和synchronized一样，一个线程可以多次获取同一个锁。
和synchronized不同的是，ReentrantLock可以尝试获取锁：
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
...
} finally {
lock.unlock();
}
}
'''
上述代码在尝试获取锁的时候，最多等待1秒。如果1秒后仍未获取到锁，tryLock()返回false，程序就可以做一些额外处理，而不是无限等待下去。
所以，使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，线程在tryLock()失败的时候不会导致死锁
使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，可以替代synchronized进行线程同步。
Condition
但是，synchronized可以配合wait和notify实现线程在条件不满足时等待，条件满足时唤醒，用ReentrantLock我们怎么编写wait和notify的功能呢？
答案是使用Condition对象来实现wait和notify的功能。
我们仍然以TaskQueue为例，把前面用synchronized实现的功能通过ReentrantLock和Condition来实现：
class TaskQueue {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition condition = lock.newCondition();
private Queue<String> queue = new LinkedList<>();
public void addTask(String s) {
lock.lock();
try {
queue.add(s);
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public String getTask() {
lock.lock();
try {
while (queue.isEmpty()) {
condition.await();
}
return queue.remove();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
可见，使用Condition时，引用的Condition对象必须从Lock实例的newCondition()返回，这样才能获得一个绑定了Lock实例的Condition实例。
Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：
await()会释放当前锁，进入等待状态；
signal()会唤醒某个等待线程；
signalAll()会唤醒所有等待线程；
唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。
此外，和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来：
if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
// 被其他线程唤醒
} else {
// 指定时间内没有被其他线程唤醒
}
可见，使用Condition配合Lock，我们可以实现更灵活的线程同步
ReadWriteLock
前面讲到的ReentrantLock保证了只有一个线程可以执行临界区代码：
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private int[] counts = new int[10];
public void inc(int index) {
lock.lock();
try {
counts[index] += 1;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int[] get() {
lock.lock();
try {
return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
但是有些时候，这种保护有点过头。因为我们发现，任何时刻，只允许一个线程修改，也就是调用inc()方法是必须获取锁，但是，get()方法只读取数据，不修改数据，它实际上允许多个线程同时调用。
实际上我们想要的是：允许多个线程同时读，但只要有一个线程在写，其他线程就必须等待：
读 写
读 允许 不允许
写 不允许 不允许
使用ReadWriteLock可以解决这个问题，它保证：
只允许一个线程写入（其他线程既不能写入也不能读取）；
没有写入时，多个线程允许同时读（提高性能）。
用ReadWriteLock实现这个功能十分容易。我们需要创建一个ReadWriteLock实例，然后分别获取读锁和写锁：
public class Counter {
private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
// 注意: 一对读锁和写锁必须从同一个rwlock获取:
private final Lock rlock = rwlock.readLock();
private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
private int[] counts = new int[10];
public void inc(int index) {
wlock.lock(); // 加写锁
try {
counts[index] += 1;
} finally {
wlock.unlock(); // 释放写锁
}
}
public int[] get() {
rlock.lock(); // 加读锁
try {
return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
} finally {
rlock.unlock(); // 释放读锁
}
}
}
把读写操作分别用读锁和写锁来加锁，在读取时，多个线程可以同时获得读锁，这样就大大提高了并发读的执行效率。
使用ReadWriteLock时，适用条件是同一个数据，有大量线程读取，但仅有少数线程修改。
例如，一个论坛的帖子，回复可以看做写入操作，它是不频繁的，但是，浏览可以看做读取操作，是非常频繁的，这种情况就可以使用ReadWriteLock。
使用ReadWriteLock可以提高读取效率：
ReadWriteLock只允许一个线程写入；
ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取；
ReadWriteLock适合读多写少的场景。
StampedLock
前面介绍的ReadWriteLock可以解决多线程同时读，但只有一个线程能写的问题。
如果我们深入分析ReadWriteLock，会发现它有个潜在的问题：如果有线程正在读，写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁，即读的过程中不允许写，这是一种悲观的读锁。
要进一步提升并发执行效率，Java 8引入了新的读写锁：StampedLock。
StampedLock和ReadWriteLock相比，改进之处在于：读的过程中也允许获取写锁后写入！这样一来，我们读的数据就可能不一致，所以，需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入，这种读锁是一种乐观锁。
乐观锁的意思就是乐观地估计读的过程中大概率不会有写入，因此被称为乐观锁。反过来，悲观锁则是读的过程中拒绝有写入，也就是写入必须等待。显然乐观锁的并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需要能检测出来，再读一遍就行。
我们来看例子：
public class Point {
private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
private double x;
private double y;
public void move(double deltaX, double deltaY) {
long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
try {
x += deltaX;
y += deltaY;
} finally {
stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
}
}
public double distanceFromOrigin() {
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
// 注意下面两行代码不是原子操作
// 假设x,y = (100,200)
double currentX = x;
// 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)
double currentY = y;
// 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)
// 如果有写入，读取是错误的(100,400)
if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
try {
currentX = x;
currentY = y;
} finally {
stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
}
}
return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
}
}
和ReadWriteLock相比，写入的加锁是完全一样的，不同的是读取。注意到首先我们通过tryOptimisticRead()获取一个乐观读锁，并返回版本号。接着进行读取，读取完成后，我们通过validate()去验证版本号，如果在读取过程中没有写入，版本号不变，验证成功，我们就可以放心地继续后续操作。如果在读取过程中有写入，版本号会发生变化，验证将失败。在失败的时候，我们再通过获取悲观读锁再次读取。由于写入的概率不高，程序在绝大部分情况下可以通过乐观读锁获取数据，极少数情况下使用悲观读锁获取数据。
可见，StampedLock把读锁细分为乐观读和悲观读，能进一步提升并发效率。但这也是有代价的：一是代码更加复杂，二是StampedLock是不可重入锁，不能在一个线程中反复获取同一个锁。
StampedLock还提供了更复杂的将悲观读锁升级为写锁的功能，它主要使用在if-then-update的场景：即先读，如果读的数据满足条件，就返回，如果读的数据不满足条件，再尝试写。
Semaphore
前面我们讲了各种锁的实现，本质上锁的目的是保护一种受限资源，保证同一时刻只有一个线程能访问（ReentrantLock），或者只有一个线程能写入（ReadWriteLock）。
还有一种受限资源，它需要保证同一时刻最多有N个线程能访问，比如同一时刻最多创建100个数据库连接，最多允许10个用户下载等。
这种限制数量的锁，如果用Lock数组来实现，就太麻烦了。
这种情况就可以使用Semaphore，例如，最多允许3个线程同时访问：
public class AccessLimitControl {
// 任意时刻仅允许最多3个线程获取许可:
final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
public String access() throws Exception {
// 如果超过了许可数量,其他线程将在此等待:
semaphore.acquire();
try {
// TODO:
return UUID.randomUUID().toString();
} finally {
semaphore.release();
}
}
}
使用Semaphore先调用acquire()获取，然后通过try ... finally保证在finally中释放。
调用acquire()可能会进入等待，直到满足条件为止。也可以使用tryAcquire()指定等待时间：
if (semaphore.tryAcquire(3, TimeUnit.SECONDS)) {
// 指定等待时间3秒内获取到许可:
try {
// TODO:
} finally {
semaphore.release();
}
}
Semaphore本质上就是一个信号计数器，用于限制同一时间的最大访问数量。