彻底理解Java并发：乐观锁与CAS

news2024/12/21 8:02:51

本篇内容包括：悲观锁与乐观锁的概述、CAS（Compare And Swap）比较并交换的介绍、非阻塞算法与ABA问题，以及对 Java 中 CAS 的实现解读（AtomicInteger 对 CAS 的实现，Unsafe 类简介）。

一、悲观锁与乐观锁

锁的一种宏观分类方式是悲观锁和乐观锁。悲观锁与乐观锁并不是特指某个锁（Java 中没有哪个 Lock 实现类就叫 PessimisticLock 或 OptimisticLock），而是在并发情况下的两种不同策略。

1、乐观锁（Optimistic Lock）

乐观锁认为自己在使用数据的时候，不会有别的线程修改数据，所以不会加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据

锁实现：CAS 算法，例如 Java 原子类 AtomicInteger 的自增是通过 CAS自旋实现

使用场景：读操作较多，不加锁的特点能使其读操作的性能大幅提升

2、悲观锁（Pessimistic Lock）

悲观锁认为自己在使用数据时一定有别的线程来修改数据，在获取数据时会先加锁，确保数据不会被其他线程修改

锁实现：关键字 syncchronized 、接口 lock 的实现类

使用场景：写操作较多，先加锁可以保证写操作时的数据正确

悲观锁阻塞事务，乐观锁回滚重试，它们各有优缺点，不要认为一种一定好于另一种。像乐观锁适用于写比较少的情况下，即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果经常产生冲突，上层应用会不断的进行重试，这样反倒是降低了性能，所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

Java 中的并发锁大致分为隐式锁和显式锁两种。隐式锁就是我们最常使用的 synchronized 关键字，显式锁主要包含两个接口：Lock 和 ReadWriteLock，主要实现类分别为 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock，这两个类都是基于 AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 实现的。还有的地方将 CAS 也称为一种锁，在包括 AQS 在内的很多并发相关类中，CAS 都扮演了比较重要的角色。

二、CAS（Compare And Swap）

1、比较并交换

CAS，即「比较并交换」。java.util.concurrent 包中借助 CAS 实现了区别于 synchronouse 同步锁的一种乐观锁。CAS 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“。

在 JAVA 中，sun.misc.Unsafe 类提供了硬件级别的原子操作来实现这个 CAS。java.util.concurrent 包下的大量类都使用了这个 Unsafe.java 类的 CAS 操作。

2、非阻塞算法

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，下面来看一下原子操作（AtomicInteger Jdk1.5）的 ++i 是如何借助 CAS 实现的：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

其中，compareAndSwapInt 是借助 C 来调用 CPU 底层指令实现的。

3、ABA问题

因为 CAS 需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA 问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么 A－B－A 就会变成 1A-2B－3A

AtomicStampedReference 里面增加了一个时间戳，也就是说每一次修改只需要设置不同的版本号以解决 ABA 问题。

此外CAS自旋时，如果长时间不成功，就会带来循环时间长，开销大的问题。

三、对 Java 中 CAS 的实现解读

1、AtomicInteger 对 CAS 的实现

AtomicInteger 是一个支持原子操作的 Integer 类，就是保证对 AtomicInteger 类型变量的增加和减少操作是原子性的，不会出现多个线程下的数据不一致问题。如果不使用 AtomicInteger，要实现一个按顺序获取的 ID，就必须在每次获取时进行加锁操作，以避免出现并发时获取到同样的 ID 的现象。

接下来通过源代码来看 Jdk8 中 AtomicInteger 中 incrementAndGet() 方法的实现，下面是具体的代码。

// JDK 8
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

在 incrementAndGet 里，我们可以看到使用了 Unsafe 类，下面是 Unsafe 里提供的 getAndAddInt 方法：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
      	v = getIntVolatile(o, offset);
       	} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

通过一个 do while 语句来做一个主体实现的在 while 语句里核心调了 compareAndSwapInt() 方法：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

此方法为 native 方法，compareAndSwapInt 基于的是 CPU 的 CAS 指令来实现的。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的，一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语，所以性能比较好。

回到 incrementAndGet 中：我们传过来的第一个值是当前的对象，第二个值是我们当前的值（比如如果我们要实现2+1）那么 offset 就是 2 delta 就是1，这里的 v,它是我们调用底层的方法v v = this.getIntVolatile(o, offset); 获取底层当前的值。如果没有其他线程来处理 o 这个变量的时候，它的正常返回值应该是 2,因此传到 compareAndSwapInt 的参数就是(o,2,2,2+1)，这个方法想达到的目标就是对于 o 这个对象,如果当前的这个值和底层的这个值相等的情况下，就把它更新成后面那个值 v + delta。

当我们一个方法进来的时候,我们 offset 的值是2,我们第一次取出来 v 的值也等于 2,但是当我们在执行更新成 3 的时候也就是这句代码 while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));可能会被其它线程更改，所以我们要判断 offset 是否与 v 是相同的，只有是相同的，才允许它更新为 3。通过这样不停的循环来判断。就能保证期望的值和底层的值相同。

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：
do{
		备份旧数据；
		基于旧数据构造新数据；
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

Java中的乐观锁大部分都是基于CAS（Compare And Swap，比较和交换）操作实现的，CAS设一种原子操作，在对数据操作之前，首先会比较当前值跟传入值是否一样，如果一样咋更新，否则不执行更新操作直接返回失败状态。compareAndSwapInt 也是 CAS 的核心。

2、Unsafe 类简介

Unsafe 类和 C++ 有点类似，在 Java 中是没有办法直接操作内存的，但是 Unsafe 类却可以间接的让程序员操作内存区域。

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类。Unsafe 提供的 API 大致可分为内存操作、CAS、Class 相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类。由于并发相关的源码很多用到了 CAS，比如 java.util.concurrent.atomic 相关类、AQS、CurrentHashMap 等相关类。

CAS 主要相关源码：

    /**
     * 参数说明
     * @param o             包含要修改field的对象
     * @param offset        对象中某个参数field的偏移量,该偏移量不会改变
     * @param expected      期望该偏移量对应的field值
     * @param x             更新值
     * @return              true|false
     */
    public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);