5.5 什么是悲观锁、乐观锁？
互斥锁与自旋锁
互斥锁和自旋锁对于加锁失败后的处理方式是不一样的：
- 互斥锁加锁失败后，线程会释放 CPU ，给其他线程；
- 自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到它拿到锁；
互斥锁是一种「独占锁」，比如当线程 A 加锁成功后，此时互斥锁已经被线程 A 独占了，只要线程 A 没有释放手中的锁，线程 B 加锁就会失败，于是就会释放 CPU 让给其他线程，既然线程 B 释放掉了 CPU，自然线程 B 加锁的代码就会被阻塞。
对于互斥锁加锁失败而阻塞的现象，是由操作系统内核实现的。当加锁失败时，内核会将线程置为「睡眠」状态，等到锁被释放后，内核会在合适的时机唤醒线程，当这个线程成功获取到锁后，于是就可以继续执行。
所以，互斥锁加锁失败时，会从用户态陷入到内核态，让内核帮我们切换线程，虽然简化了使用锁的难度，但是存在一定的性能开销成本。
那这个开销成本是什么呢？会有两次线程上下文切换的成本：
- 当线程加锁失败时，内核会把线程的状态从「运行」状态设置为「睡眠」状态，然后把 CPU 切换给其他线程运行；
- 接着，当锁被释放时，之前「睡眠」状态的线程会变为「就绪」状态，然后内核会在合适的时间，把 CPU 切换给该线程运行。
- 这就是撩此切换
所以，如果你能确定被锁住的代码执行时间很短，就不应该用互斥锁，而应该选用自旋锁，否则使用互斥锁。
自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。
一般加锁的过程，包含两个步骤：
- 第一步，查看锁的状态，如果锁是空闲的，则执行第二步；
- 第二步，将锁设置为当前线程持有；
CAS 函数就把这两个步骤合并成一条硬件级指令，形成原子指令，这样就保证了这两个步骤是不可分割的，要么一次性执行完两个步骤，要么两个步骤都不执行。
比如，设锁为变量 lock，整数 0 表示锁是空闲状态，整数 pid 表示线程 ID，那么 CAS(lock, 0, pid) 就表示自旋锁的加锁操作，CAS(lock, pid, 0) 则表示解锁操作。
最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令而不是while循环来实现「忙等待」，降低成本。
自旋锁是最简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。需要注意，在单核 CPU 上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。
自旋锁开销少，在多核系统下一般不会主动产生线程切换，适合异步、协程等在用户态切换请求的编程方式，但如果被锁住的代码执行时间过长，自旋的线程会长时间占用 CPU 资源，所以自旋的时间和被锁住的代码执行的时间是成「正比」的关系，我们需要清楚的知道这一点。
自旋锁与互斥锁使用层面比较相似，但实现层面上完全不同：当加锁失败时，互斥锁用「线程切换」来应对，自旋锁则用「忙等待」来应对。
它俩是锁的最基本处理方式，更高级的锁都会选择其中一个来实现，比如读写锁既可以选择互斥锁实现，也可以基于自旋锁实现。
读写锁
读写锁适用于能明确区分读操作和写操作的场景。
写锁是独占锁，类似互斥锁和自旋锁，而读锁是共享锁。
读写锁在读多写少的场景，能发挥出优势。
根据实现的不同，读写锁可以分为「读优先锁」和「写优先锁」。
读优先锁：想要获取读锁的线程优先级总是高于获取写锁的线程，即使是后来的，只有所有线程释放读锁，写锁才能被成功获取
- 对于读线程并发性更好，但是如果一直有读线程获取读锁，那么写线程将永远获取不到写锁，这就造成了写线程「饥饿」的现象。
写优先锁反之
- 读锁可能被「饿死」。
公平读写锁比较简单的一种方式是：用队列把获取锁的线程排队，不管是写线程还是读线程都按照先进先出的原则加锁即可，这样读线程仍然可以并发，也不会出现「饥饿」的现象。
互斥锁和自旋锁都是最基本的锁，读写锁可以根据场景来选择这两种锁其中的一个进行实现。
乐观锁与悲观锁
前面提到的互斥锁、自旋锁、读写锁，都是属于悲观锁。
乐观锁的工作方式是：先修改完共享资源，再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有其他线程在修改资源，那么操作完成，如果发现有其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作。
放弃后如何重试，这跟业务场景息息相关。
这里举一个场景例子：在线文档。
我们都知道在线文档可以同时多人编辑的，如果使用了悲观锁，那么只要有一个用户正在编辑文档，此时其他用户就无法打开相同的文档了，这用户体验当然不好了。
那实现多人同时编辑，实际上是用了乐观锁，它允许多个用户打开同一个文档进行编辑，编辑完提交之后才验证修改的内容是否有冲突。
服务端要怎么验证是否冲突了呢？通常方案如下：
- 由于发生冲突的概率比较低，所以先让用户编辑文档，但是浏览器在下载文档时会记录下服务端返回的文档版本号；
- 当用户提交修改时，发给服务端的请求会带上原始文档版本号，服务器收到后将它与当前版本号进行比较，如果版本号不一致则提交失败，如果版本号一致则修改成功，然后服务端版本号更新到最新的版本号。
实际上，我们常见的 SVN 和 Git 也是用了乐观锁的思想，先让用户编辑代码，然后提交的时候，通过版本号来判断是否产生了冲突，发生了冲突的地方，需要我们自己修改后，再重新提交。
乐观锁虽然去除了加锁解锁的操作，但是一旦发生冲突，重试的成本非常高，所以只有在冲突概率非常低，且加锁成本非常高的场景时，才考虑使用乐观锁。
不管使用的哪种锁，我们的加锁的代码范围应该尽可能的小，也就是加锁的粒度要小，这样执行速度会比较快。再来，使用上了合适的锁，就会快上加快了。
读者问答
CAS 不是乐观锁吗，为什么基于 CAS 实现的自旋锁是悲观锁？
乐观锁是先修改同步资源，再验证有没有发生冲突。
悲观锁是修改共享数据前，都要先加锁，防止竞争。
CAS 是乐观锁没错，但是 CAS 和自旋锁不同之处，自旋锁基于 CAS 加了 while 或者睡眠 CPU 的操作而产生自旋的效果，加锁失败会忙等待直到拿到锁，自旋锁是要需要事先拿到锁才能修改数据的，所以算悲观锁。