CAS+Synchronized

线程安全

众所周知，Java是多线程的。但是，Java对多线程的支持其实是一把双刃剑。一旦涉及到多个线程操作共享资源的情况时，处理不好就可能产生线程安全问题。线程安全性可能是非常复杂的，在没有充足的同步的情况下，多个线程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java里面进行多线程通信的主要方式就是共享内存的方式，共享内存主要的关注点有两个：可见性和有序性。加上复合操作的原子性，我们可以认为Java的线程安全性问题主要关注点有3个：可见性、有序性和原子性。

Java内存模型（JMM）解决了可见性和有序性的问题，而锁解决了原子性的问题。

乐观锁与悲观锁

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。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。再比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现也是悲观锁。

乐观锁：顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

悲观锁的一种实现synchronized

Java在JDK1.5之前都是靠synchronized关键字保证同步的，这种通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问，可以确保无论哪个线程持有共享变量的锁，都采用独占的方式来访问这些变量。独占锁其实就是一种悲观锁，所以可以说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制存在以下问题：

1、在多线程竞争下，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题。

2、一个线程持有锁会导致其它所有需要此锁的线程挂起。

3、如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能风险。

而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

与锁相比，volatile变量是一个更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作，但是volatile不能解决原子性问题，因此当一个变量依赖旧值时就不能使用volatile变量。因此对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁的一种实现CAS

乐观锁（ Optimistic Locking）在上文已经说过了，其实就是一种思想。相对悲观锁而言，乐观锁假设认为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。

上面提到的乐观锁的概念中其实已经阐述了它的具体实现细节：主要就是两个步骤：冲突检测和数据更新。其实现方式有一种比较典型的就是 Compare and Swap ( CAS )。

CAS(Compare And Swap)，即比较并交换。是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可”。这其实和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

Java对CAS的支持

在JDK1.5 中新增 java.util.concurrent (J.U.C)就是建立在CAS之上的。相对于对于 synchronized 这种阻塞算法，CAS是非阻塞算法的一种常见实现。所以J.U.C在性能上有了很大的提升。

非阻塞算法（nonblocking algorithms）一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。

以 java.util.concurrent 中的 AtomicInteger 为例，看一下在不使用锁的情况下是如何保证线程安全的。主要理解 getAndIncrement 方法，该方法的作用相当于 ++i 操作。

案例分析

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  
  private volatile int value; 
  public final int get() {  
    return value;  
  }  
  public final int getAndIncrement() {  
    for (;;) {  
      int current = get();  
      int next = current + 1;  
      if (compareAndSet(current, next))  
        return current;  
    }  
  }  
  public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
  }  
}

在没有锁的机制下,字段value要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见性。这样在获取变量的值的时候才能直接读取。然后来看看 ++i 是怎么做到的。

getAndIncrement 采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和 +1 后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

而 compareAndSet 利用JNI（Java Native Interface）来完成CPU指令的操作：

  public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   

    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

  }　

其中unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);类似如下逻辑：

  if (this == expect) {

    this = update

    return true;

    } else {

      return false;

    }

那么比较this == expect，替换this = update，compareAndSwapInt实现这两个步骤的原子性呢？参考CAS的原理

CAS原理：

CAS通过调用JNI的代码实现的。而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

posted @ 2022-01-26 14:48 ArosyCat 阅读(177) 评论(0) 编辑收藏举报

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