CAS 和 synchronized 的优化过程

🍉 目录

CAS 的实现

CAS 的工作原理

优化过程

CAS 的应用

1) 实现原子类

2）实现自旋锁

CAS 的 ABA 问题

synchronized 的原理

synchronized 基本特点

加锁工作过程

其他优化操作

1. 锁消除

2. 锁粗化

CAS（Compare-And-Swap，即比较和交换），是用于实现同步原语的一种原子操作。在Java的并发编程中，CAS 操作是轻量级和无锁算法的基础，它允许线程在不使用传统互斥锁的情况下安全地更新共享变量。以下是 CAS 优化的详细解释。

CAS 操作的引入主要是为了在多线程环境下提供一种高效、低开销的同步机制。通过避免使用重量级锁，CAS 操作可以减少线程的上下文切换和锁竞争带来的性能损失。

CAS 的实现

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

1. Java的 CAS 利用的是 unsafe 这个类的提供的 CAS 操作

2. unsafe 的 CAS 依赖的是 JVM 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg

3. Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 CPU 硬件提供的 lock 机制保证其原子性。

简而言之，当硬件层面予以支持，软件层面才得以实现。

CAS 的工作原理

CAS 操作的基本思想是比较并交换。它包含三个参数：内存位置（V）、预期值（A）和新值（B）。CAS 操作会检查内存位置 V 的值，与预期值 A 是否相等，如果相等则将 V 替换为 B，否则不进行任何操作。CAS 操作是原子的，即它在硬件层面上是不可分割的，这确保了操作的线程安全性。

优化过程

🍉减少锁的使用

在许多情况下，CAS 操作可以替代传统的锁机制，从而避免锁带来的开销和竞争。通过使用 CAS 操作，线程可以在不阻塞的情况下尝试更新共享变量，这提高了系统的并发性能。

🍉自旋等待

当 CAS 操作失败时（即内存值与预期值不符时），即没有拿到锁对象时，线程也不会立即进入阻塞状态而是会开始自旋等待状态。在自旋等待期间线程会不断的重新尝试 CAS 操作，直到成功或者到某个自旋时间的阀阈值。这种自旋等待机制减少了线程上下文切换的开销，并提高了系统的相应速度。

🍉减少内存开销

CAS 操作通常只需要对少量的内存位置进行操作，这减少了内存带宽的消耗。相比之下，传统的锁机制需要维护一个复杂的等待队列和锁状态，这会增加内存开销。

🍉提高可扩展性

CAS操作是基于硬件原语的，因此它可以很好地扩展到多核处理器环境。在多核处理器上，CAS操作可以并行执行，而传统的锁机制可能需要跨核进行复杂的同步操作。

🍉避免死锁

由于CAS操作不涉及锁的持有和释放，因此它避免了死锁问题的发生。死锁是传统锁机制中常见的问题之一，它会导致线程永久性地阻塞在等待锁的状态下。

CAS 的应用

1) 实现原子类

Java 标准库库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的。典型的就是 AtomicInteger 类，其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger ( 0 );

// 相当于 i++

atomicInteger.getAndIncrement();

原子类伪代码

class AtomicInteger {

private int value;

public int getAndIncrement () {

int oldValue = value;

while ( CAS(value, oldValue, oldValue+ 1 ) != true ) {

oldValue = value;

}

return oldValue;

}

}

CAS 操作修改同一个变量是，直接读取内存而不是寄存器，修改也是直接修改的内存。是一条硬件指令，是原子的。

代码实现

public class Demo22 {
    public static AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);//设置初始值
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.getAndIncrement(); //操作是原子的
            }
        });
        Thread t2=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count.getAndIncrement(); //操作是原子的

            }
        });

        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("count = "+count);

    }
}

结果显示

通过形如上述代码就可以实现一个原子类，不需要使用重量级锁，就可以高效完成自增操作。

2）实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁，获取到更多的控制权。

自旋伪代码

public class SpinLock {

private Thread owner = null ;

public void lock (){

// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有 .

// 如果这个锁已经被别的线程持有 , 那么就⾃旋等待 .

// 如果这个锁没有被别的线程持有 , 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程 .

while (!CAS( this .owner, null , Thread.currentThread())){

}

}

public void unlock (){

this .owner = null ;

}

}

CAS 的 ABA 问题

ABA 问题：

假设存在两个线程 t1 和 t2 。如果有一个共享变量 num，初始值为A。

线程 t1 需要将原始 A 的值修改为 B（如果被其他线程修改了也没关系，一共修改为 B 只需要修改一次），在 t1 刚刚读取到 A 的值（value = A，oldvalue = A ），这时穿插了线程 t2 的执行，线程 t2 将 A 修改为 B 后，又将 B 修改为 A（value = A）。现在值被修改为 B 执行了一次，但是 t1 现在进行判断时，发现 value = oldvalue ，那么此时意味着 t1 也会修改 A 变为 B ，但是此时的修改是第二次，此时是第二次操作修改是错误的。（具体执行如下）

针对上面的 ABA 问题的解决方案

为了解决这个问题，可以使用版本号或时间戳来跟踪内存位置的变化。

针对上述修改值这个问题，我们引入一个版本号，每次判断 value 和 oldvalue 的时候也需要判断版本号，查看版本号是否和每次操作时读取的版本号一致。在上面的 ABA 问题中引入版本号，当线程 t1 第一次读取的时候，版本号为1，后来经过 t2 的两次修改，虽然 num 的值变为了 A ，但是版本号不等于1，说明在 t1 未执行这段期间 t2 已经执行了（假设执行的就是 A 转变为了 B）。

如下图

synchronized 的原理

synchronized 基本特点

1）开始为乐观锁，如果锁冲突频繁，转变为悲观锁

2）开始是轻量级锁实现，如果锁被持有的时间较长，转变为重要量级锁

3）实现轻量级锁的时候大概率需要用到自旋锁策略

4）synchronized 是一种可重入锁

5）synchronized 是一种不公平锁

6）synchronized 不是读写锁

加锁工作过程

🍉 偏向锁状态

工作原理：当只有一个线程（偏向线程）访问同步代码块或方法时，JVM会在对象的对象头中设置一个偏向锁标志，并将线程ID记录在对象头中。后续该线程再次访问时，只需检查对象头中的线程ID是否与其自身ID一致，若一致则无需进行任何同步操作，直接进入同步代码块。

撤销与升级：当有其他线程（竞争线程）尝试获取锁时，JVM会检测到偏向锁状态，并尝试撤销偏向锁，将锁升级为轻量级锁。

🍉 轻量级锁状态（轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能而设计的）

随着其他线程进⼊竞争, 偏向锁状态被消除, 进⼊轻量级锁状态(⾃适应的⾃旋锁).

此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现.

• 通过 CAS 检查并更新⼀块内存 (⽐如 null => 该线程引⽤)

• 如果更新成功, 则认为加锁成功

• 如果更新失败, 则认为锁被占⽤, 继续⾃旋式的等待(并不放弃 CPU)

⾃旋操作是⼀直让 CPU 空转, ⽐较浪费 CPU 资源.

因此此处的⾃旋不会⼀直持续进⾏, ⽽是达到⼀定的时间/重试次数, 就不再⾃旋了.

也就是所谓的 "⾃适应"

🚩自旋等待：自旋等待期间，线程会在一个小的循环中重复尝试获取锁，直到锁被释放或自旋次数超过阈值。

🍉 重量级锁状态（当锁竞争非常激烈，轻量级锁的自旋尝试无法快速获取锁时，JVM会将锁膨胀为重量级锁）

重量级锁使用操作系统提供的互斥量（mutex）机制来确保线程间的同步。线程会进入阻塞状态，并被放入等待队列（如Contention List Queue）中等待锁被释放。

🚩锁释放与唤醒：当持有锁的线程执行完同步代码块并释放锁时，JVM会随机唤醒等待队列中的一个线程。

如下图：

其他优化操作

JVM 根据配置和实现对 synchronized 锁的优化操作还有锁消除、锁粗化。

1. 锁消除

编译器+ JVM 判断锁是否可消除，如果可以，就直接消除。什么意思呢？？？（一脸问号）

举个栗子：

StringBuffer sb = new StringBuffer ();

sb.append( "a" );

sb.append( "b" );

sb.append( "c" );

sb.append( "d" );

此时每个 append 的调⽤都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执⾏这个代码, 那么这些加锁解锁操作是没有必要的, ⽩⽩浪费了⼀些资源开销。