前言

Java中的锁主要用于保障线程在多并发情况下数据的一致性。锁从乐观和悲观的角度可分为乐观锁和悲观锁,JVM还巧妙的设计了自旋锁更快的使用CPU资源。

一、乐观锁和悲观锁

1.1乐观锁

乐观锁采用乐观的思想处理数据,即每次读取数据时都认为别人不会修改该数据,不会进行加锁。

JAVA中的乐观锁大部分是通过CAS操作实现的,CAS是一种原子更新操作,对数据操作之前会比较要更新的值和预期的值是否相同,如果相同才会进行更新,否则会再次尝试,直到成功。

1.2悲观锁

悲观锁采用悲观的思想处理数据,认为每次读取数据时别人都会修改数据,所以每次读写数据都会加锁,不允许别的线程同时操作。

JAVA中的悲观锁大部分基于AQS(抽象的队列同步器)实现。AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步框架,许多同步类的实现都依赖它,例如:ReentranLock等。

1.3自旋锁

自旋锁( SpinLock),spin在英文中用于描述纺纱的纱轮疯狂自转的样子。认为如果持有锁的线程在很短的时间就会释放锁资源,那么等待的线程只需要等一等,重试不断的去尝试获取锁(自旋),不需要进入阻塞、挂起状态。

自旋锁的优点
1.非常适合占用锁时间非常短的场景,极大提高锁的效率,自旋等待的时间明显少于线程阻塞挂起和在唤醒所用的时间。

自旋锁缺点:
如果线程占用锁时间过长,线程在自旋的时候会长时间获取不到锁,造成CPU资源浪费。

二、CAS

2.1什么是CAS?

CAS 是乐观锁的一种实现方式，他采用的是自旋锁(一直尝试,直到成功)的思想，是一种轻量级的锁机制。

CAS(Compare And Swap)指比较并交换。CAS算法CAS(V,E,N)包含三个参数,V表示要更新的变量,E表示预期的值,N表示新值。仅在V值等于E值,才会将V值设为N,如果V值和E值不同,表示有其他线程进行更新,当前线程什么都不做,不会被挂起,允许再次尝试,直到成功。

从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，在该包中提供了许多基于CAS实现的原子操作类，用法方便，性能高效。我们以AtomicInteger为例进行分析CAS的JAVA实现代码。

JDK1.7

 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private volatile int value;public final int get() {return value;}//JDK 1.7的源码，由for的死循环实现，并且直接在AtomicInteger实现该方法，//JDK1.8后，直接调用getAndAddInt方法即可public final int getAndIncrement() {for(;;){              //CAS自旋,一直尝试,直到成功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);}}

JDK1.8

//AtomicInteger中的方法public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}//Unsafe中的方法public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {int var5;do {var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));return var5;}

CAS是采用了乐观锁的思想,总是认为自己可以成功完成操作。有多个线程同时使用CAS操作同一个变量时只有一个会成功更新,其余均会失败。

2.2ABA 问题

第一个线程从内存的V位置取出了A,第二个线程也从内存的V位置取出了A,先修改成B,然后又修改成了A,第一个线程在进行CAS操作时不会察觉到异常,虽然操作正常进行,但该数据已经发生过变化,某些应用场景下可能出现数据不一致的问题。

解决办法:添加版本号,执行操作时加上一个版本号,版本号一致性可以进行操作,否则失败。每次操作版本号增加,因为版本号只会增加不会减少,所以不会出现ABA问题。

例如:
1.线程1读取A(1)
2.线程2读取A(1),修改成B(2),又修改成A(3),
3.线程1读取预期值,发现预期值A(3)和变量值A(1)不同,不进行操作。

总结

除了本文提到的锁的类型,锁从获取资源的公平性角度可以分为公平锁和非公平锁,从是否共享资源的角度可分为共享锁和独占锁,从锁的状态可分为偏向锁、轻量级锁和重量级锁,后续会介绍这些锁的特性。本文的重点CAS,理解了CAS就理解了乐观锁和自旋锁的特点,对于比较并交换的过程一定要牢记于心。

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