线程安全是程序设计中的术语，指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的全局变量，使程序功能正确完成。
假设有间银行只有 1000 元，而两个人同时提领 1000 元时就可能会拿到总计 2000 元的金额。为了避免这个问题，该间银行提款时应该使用互斥锁，即意味着针对同一个资源处理时，前一个人提领交易完成后才处理下一笔交易。但这种手法会使得效能降低。
线程安全的函数一般不应该修改全局对象。
锁的概念
在计算机科学中，锁是在执行多线程时用于强行限制资源访问的同步机制，即用于在并发控制中保证对互斥要求的满足。
互斥锁
互斥锁（英语：Mutual exclusion，缩写 Mutex）是一种用于多线程编程中，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全局变量）进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区域（critical section）达成。
临界区域指的是一块对公共资源进行访问的代码，并非一种机制或是算法。一个程序、进程、线程可以拥有多个临界区域，但是并不一定会应用互斥锁。
一段代码（甲）正在分步修改一块数据。这时，另一条线程（乙）由于一些原因被唤醒。如果乙此时去读取甲正在修改的数据，而甲碰巧还没有完成整个修改过程，这个时候这块数据的状态就处在极大的不确定状态中，读取到的数据当然也是有问题的。更严重的情况是乙也往这块地方写数据，这样的一来，后果将变得不可收拾。因此，多个线程间共享的数据必须被保护。达到这个目的的方法，就是确保同一时间只有一个临界区域处于运行状态，而其他的临界区域，无论是读是写，都必须被挂起并且不能获得运行机会
乐观锁
在关系数据库管理系统里，乐观并发控制（又名“乐观锁”，Optimistic Concurrency Control，缩写“OCC”）是一种并发的方法。它假设多用户并发的事务在处理时不会彼此互相影响，各事务能够在不产生锁的情况下处理各自影响的那部分数据。在提交数据更新之前，每个事务会先检查在该事务读取数据后，有没有其他事务又修改了该数据。如果其他事务有更新的话，正在提交的事务会进行回滚。
乐观并发控制多数用于数据争用不大、冲突较少的环境中，这种环境中，偶尔回滚事务的成本会低于读取数据时锁定数据的成本，因此可以获得比其他并发控制方法更高的吞吐量。
乐观并发控制的事务包括以下阶段：
- 读取：事务将数据读入缓存，这时系统会给事务分派一个时间戳。
- 校验：事务执行完毕后，进行提交。这时同步校验所有事务，如果事务所读取的数据在读取之后又被其他事务修改，则产生冲突，事务被中断回滚。
- 写入：通过校验阶段后，将更新的数据写入数据库。
乐观并发控制相信事务之间的数据竞争(data race)的概率是比较小的，因此尽可能直接做下去，直到提交的时候才去锁定，所以不会产生任何锁和死锁。但如果直接简单这么做，还是有可能会遇到不可预期的结果，例如两个事务都读取了数据库的某一行，经过修改以后写回数据库，这时就遇到了问题。
Java中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的，CAS 是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入 值是否一样，一样则更新，否则失败。
CAS
比较并交换(compare and swap, CAS)，是原子操作的一种，可用于在多线程编程中实现不被打断的数据交换操作，从而避免多线程同时改写某一数据时由于执行顺序不确定性以及中断的不可预知性产生的数据不一致问题。 该操作通过将内存中的值与指定数据进行比较，当数值一样时将内存中的数据替换为新的值。
在使用上，通常会记录下某块内存中的旧值，通过对旧值进行一系列的操作后得到新值，然后通过CAS操作将新值与旧值进行交换。如果这块内存的值在这期间内没被修改过，则旧值会与内存中的数据相同，这时CAS操作将会成功执行 使内存中的数据变为新值。如果内存中的值在这期间内被修改过，则一般来说旧值会与内存中的数据不同，这时CAS操作将会失败，新值将不会被写入内存。
- 应用
在应用中CAS可以用于实现无锁数据结构，常见的有无锁队列（先入先出）以及无锁栈（先入后出）。对于可在任意位置插入数据的链表以及双向链表，实现无锁操作的难度较大。
- ABA问题
ABA问题是无锁结构实现中常见的一种问题，可基本表述为：
- 进程P1读取了一个数值A
- P1被挂起(时间片耗尽、中断等)，进程P2开始执行
- P2修改数值A为数值B，然后又修改回A
- P1被唤醒，比较后发现数值A没有变化，程序继续执行。
对于P1来说，数值A未发生过改变，但实际上A已经被变化过了，继续使用可能会出现问题。
JAVA，sun.misc.Unsafe提供了compareAndSwap系列函数
悲观锁
在关系数据库管理系统里，悲观并发控制（又名“悲观锁”，Pessimistic Concurrency Control，缩写“PCC”）是一种并发控制的方法。它可以阻止一个事务以影响其他用户的方式来修改数据。如果一个事务执行的操作读某行数据应用了锁，那只有当这个事务把锁释放，其他事务才能够执行与该锁冲突的操作。
悲观并发控制主要用于数据争用激烈的环境，以及发生并发冲突时使用锁保护数据的成本要低于回滚事务的成本的环境中。
悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略，为数据处理的安全提供了保证。但是在效率方面，处理加锁的机制会让数据库产生额外的开销，还有增加产生死锁的机会；另外，在只读型事务处理中由于不会产生冲突，也没必要使用锁，这样做只能增加系统负载；还有会降低了并行性，一个事务如果锁定了某行数据，其他事务就必须等待该事务处理完才可以处理那行数据。
java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试CAS乐观锁去获取锁，获取不到， 才会转换为悲观锁，如 RetreenLock
自旋锁
自旋锁是计算机科学用于多线程同步的一种锁，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。
自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。因此操作系统的实现在很多地方往往用自旋锁。Windows操作系统提供的轻型读写锁（SRW Lock）内部就用了自旋锁。显然，单核CPU不适于使用自旋锁，这里的单核CPU指的是单核单线程的CPU，因为，在同一时间只有一个线程是处在运行状态，假设运行线程A发现无法获取锁，只能等待解锁，但因为A自身不挂起，所以那个持有锁的线程B没有办法进入运行状态，只能等到操作系统分给A的时间片用完，才能有机会被调度。这种情况下使用自旋锁的代价很高。
获取、释放自旋锁，实际上是读写自旋锁的存储内存或寄存器。因此这种读写操作必须是原子的。通常用test-and-set等原子操作来实现。
如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁，就会导致其它争用锁 的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。
自旋锁尽可能的减少线程的阻塞，这对于锁的竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来 说性能能大幅度的提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗，这些操作会导致线程发生两次上下文切换！
但是如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，这时候就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功，同时有大量线程在竞争一个锁，会导致获取锁的时间很长，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗， 其它需要 cup 的线程又不能获取到 cpu，造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁；
适应性自旋锁
自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放，等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择 自旋的执行时间呢？如果自旋执行时间太长，会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源，进而 会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要！
线程自旋是需要消耗 cup 的，说白了就是让 cup 在做无用功，如果一直获取不到锁，那线程 也不能一直占用 cup 自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。
JVM 对于自旋周期的选择，jdk1.5 这个限度是一定的写死的，在 1.6 引入了适应性自旋锁，适应 性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥 有者的状态来决定，基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间，同时 JVM 还针对当 前 CPU 的负荷情况做了较多的优化，如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋，如果有超过(CPUs/2) 个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞，如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋 时间（自旋计数）或进入阻塞，如果 CPU 处于节电模式则停止自旋，自旋时间的最坏情况是 CPU 的存储延迟（CPU A 存储了一个数据，到 CPU B 得知这个数据直接的时间差），自旋时会适当放 弃线程优先级之间的差异。
可重入锁
计算机科学中，可重入互斥锁（英语：reentrant mutex）是互斥锁的一种，同一线程对其多次加锁不会产生死锁。可重入互斥锁也称递归互斥锁（英语：recursive mutex）或递归锁（英语：recursive lock）。
如果对已经上锁的普通互斥锁进行“加锁”操作，其结果要么失败，要么会阻塞至解锁。而如果换作可重入互斥锁，当且仅当尝试加锁的线程就是持有该锁的线程时，类似的加锁操作就会成功。可重入互斥锁一般都会记录被加锁的次数，只有执行相同次数的解锁操作才会真正解锁。
递归互斥锁解决了普通互斥锁不可重入的问题：如果函数先持有锁，然后执行回调，但回调的内容是调用它自己，就会产生死锁。
在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁
公平锁
公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。
非公平锁
非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。
ReentrantLock 在构造函数中提供了 是否公平锁的初始化方式，默认为非公平锁。非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁，除非 程序有特殊需要，否则最常用非公平锁的分配机制
1. 非公平锁性能比公平锁高 5~10 倍，因为公平锁需要在多核的情况下维护一个队列
2. Java 中的 synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认的 lock()方法采用的是非公平锁
排他锁
排他锁（Exclusive Locks，简称X锁），又称为写锁、独占锁，在数据库管理上，是锁的基本类型之一。若事务T对数据对象A加上X锁，则只允许T读取和修改A，其他任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁。这就保证了其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A。
ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁
共享锁
共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。
java 的并发包中提供了 ReadWriteLock，读-写锁。它允许一个资源可以被多个读操作访问， 或者被一个 写操作访问，但两者不能同时进行。
读写锁
为了提高性能，Java 提供了读写锁，在读的地方使用读锁，在写的地方使用写锁，灵活控制，如 果没有写锁的情况下，读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。
读写锁分为读锁和写锁，多个读锁不互斥，读锁与写锁互斥，这是由 jvm 自己控制的。
读锁
如果代码只读数据，可以很多人同时读，但不能同时写，那就上读锁
写锁
如果你的代码修改数据，只能有一个人在写，且不能同时读取，那就上写锁。
总之，读的时候上 读锁，写的时候上写锁！
Java 中 读 写 锁 有 个 接 口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock ， 也 有 具 体 的 实 现 ReentrantReadWriteLock。
锁优化
减少锁持有时间
只用在有线程安全要求的程序上加锁
减小锁粒度
将大对象（这个对象可能会被很多线程访问），拆成小对象，大大增加并行度，降低锁竞争。 降低了锁的竞争，偏向锁，轻量级锁成功率才会提高。最典型的减小锁粒度的案例就是 ConcurrentHashMap。
锁分离
最常见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock，根据功能进行分离成读锁和写锁，这样读读不互 斥，读写互斥，写写互斥，即保证了线程安全，又提高了性能。读写分离思想可以延伸，只要操作互不影响，锁就可以分离。比如 LinkedBlockingQueue 从头部取出，从尾部放数据。
锁粗化
通常情况下，为了保证多线程间的有效并发，会要求每个线程持有锁的时间尽量短，即在使用完 公共资源后，应该立即释放锁。但是，凡事都有一个度，如果对同一个锁不停的进行请求、同步 和释放，其本身也会消耗系统宝贵的资源，反而不利于性能的优化 。
锁消除
锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时，如果发现不可能被共享的对象，则可以消除这 些对象的锁操作，多数是因为程序员编码不规范引起。
文献
Java核心知识点整理.pdf