Java并發(fā)問(wèn)題之樂(lè)觀鎖與悲觀鎖的示例分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Java并發(fā)問(wèn)題之樂(lè)觀鎖與悲觀鎖的示例分析，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

首先介紹一些樂(lè)觀鎖與悲觀鎖:

悲觀鎖：總是假設(shè)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。再比如Java里面的同步原語(yǔ)synchronized關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)也是悲觀鎖。

樂(lè)觀鎖：顧名思義，就是很樂(lè)觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒(méi)有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)等機(jī)制。樂(lè)觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫(kù)提供的類似于write_condition機(jī)制，其實(shí)都是提供的樂(lè)觀鎖。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂(lè)觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式CAS實(shí)現(xiàn)的。

樂(lè)觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式-CAS(Compare and Swap 比較并交換)：

鎖存在的問(wèn)題:

Java在JDK1.5之前都是靠 synchronized關(guān)鍵字保證同步的，這種通過(guò)使用一致的鎖定協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)對(duì)共享狀態(tài)的訪問(wèn)，可以確保無(wú)論哪個(gè)線程持有共享變量的鎖，都采用獨(dú)占的方式來(lái)訪問(wèn)這些變量。這就是一種獨(dú)占鎖，獨(dú)占鎖其實(shí)就是一種悲觀鎖，所以可以說(shuō) synchronized 是悲觀鎖。

悲觀鎖機(jī)制存在以下問(wèn)題：　　

1. 在多線程競(jìng)爭(zhēng)下，加鎖、釋放鎖會(huì)導(dǎo)致比較多的上下文切換和調(diào)度延時(shí)，引起性能問(wèn)題。

2. 一個(gè)線程持有鎖會(huì)導(dǎo)致其它所有需要此鎖的線程掛起。

3. 如果一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的線程等待一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的線程釋放鎖會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)倒置，引起性能風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)比于悲觀鎖的這些問(wèn)題，另一個(gè)更加有效的鎖就是樂(lè)觀鎖。其實(shí)樂(lè)觀鎖就是：每次不加鎖而是假設(shè)沒(méi)有并發(fā)沖突而去完成某項(xiàng)操作，如果因?yàn)椴l(fā)沖突失敗就重試，直到成功為止。

樂(lè)觀鎖：

樂(lè)觀鎖（ Optimistic Locking ）在上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，其實(shí)就是一種思想。相對(duì)悲觀鎖而言，樂(lè)觀鎖假設(shè)認(rèn)為數(shù)據(jù)一般情況下不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)沖突，所以在數(shù)據(jù)進(jìn)行提交更新的時(shí)候，才會(huì)正式對(duì)數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生并發(fā)沖突進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)并發(fā)沖突了，則讓返回用戶錯(cuò)誤的信息，讓用戶決定如何去做。

上面提到的樂(lè)觀鎖的概念中其實(shí)已經(jīng)闡述了它的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：主要就是兩個(gè)步驟：沖突檢測(cè)和數(shù)據(jù)更新。其實(shí)現(xiàn)方式有一種比較典型的就是 Compare and Swap ( CAS )。

CAS：

CAS是樂(lè)觀鎖技術(shù)，當(dāng)多個(gè)線程嘗試使用CAS同時(shí)更新同一個(gè)變量時(shí)，只有其中一個(gè)線程能更新變量的值，而其它線程都失敗，失敗的線程并不會(huì)被掛起，而是被告知這次競(jìng)爭(zhēng)中失敗，并可以再次嘗試?！　　?/p>

CAS 操作中包含三個(gè)操作數(shù) —— 需要讀寫的內(nèi)存位置（V）、進(jìn)行比較的預(yù)期原值（A）和擬寫入的新值(B)。如果內(nèi)存位置V的值與預(yù)期原值A(chǔ)相匹配，那么處理器會(huì)自動(dòng)將該位置值更新為新值B。否則處理器不做任何操作。無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該位置的值。（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當(dāng)前值。）CAS 有效地說(shuō)明了“ 我認(rèn)為位置 V 應(yīng)該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個(gè)位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值即可。 ”這其實(shí)和樂(lè)觀鎖的沖突檢查+數(shù)據(jù)更新的原理是一樣的。

這里再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，樂(lè)觀鎖是一種思想。CAS是這種思想的一種實(shí)現(xiàn)方式。

JAVA對(duì)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。相對(duì)于對(duì)于 synchronized 這種阻塞算法，CAS是非阻塞算法的一種常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)。所以J.U.C在性能上有了很大的提升。

以 java.util.concurrent 中的 AtomicInteger 為例，看一下在不使用鎖的情況下是如何保證線程安全的。主要理解 getAndIncrement 方法，該方法的作用相當(dāng)于 ++i 操作。

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); 
  } 
}

在沒(méi)有鎖的機(jī)制下,字段value要借助volatile原語(yǔ)，保證線程間的數(shù)據(jù)是可見(jiàn)性。這樣在獲取變量的值的時(shí)候才能直接讀取。然后來(lái)看看 ++i 是怎么做到的。

getAndIncrement 采用了CAS操作，每次從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)然后將此數(shù)據(jù)和 +1 后的結(jié)果進(jìn)行CAS操作，如果成功就返回結(jié)果，否則重試直到成功為止。

而 compareAndSet 利用JNI（Java Native Interface）來(lái)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);類似如下邏輯：

if (this == expect) {
   this = update
   return true;
 } else {
   return false;
 }

那么比較this ==expect，替換this =update，compareAndSwapInt實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)步驟的原子性呢？ 參考CAS的原理

CAS原理：

CAS通過(guò)調(diào)用JNI的代碼實(shí)現(xiàn)的。而compareAndSwapInt就是借助C來(lái)調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)的。

下面從分析比較常用的CPU（intel x86）來(lái)解釋CAS的實(shí)現(xiàn)原理。

下面是sun.misc.Unsafe類的compareAndSwapInt()方法的源代碼：

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

可以看到這是個(gè)本地方法調(diào)用。這個(gè)本地方法在JDK中依次調(diào)用的C++代碼為：

#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
            __asm je L0   \
            __asm _emit 0xF0 \
            __asm L0:

inline jint   Atomic::cmpxchg  (jint   exchange_value, volatile jint*   dest, jint   compare_value) {
 // alternative for InterlockedCompareExchange
 int mp = os::is_MP();
 __asm {
  mov edx, dest
  mov ecx, exchange_value
  mov eax, compare_value
  LOCK_IF_MP(mp)
  cmpxchg dword ptr [edx], ecx
 }
}

如上面源代碼所示，程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前處理器的類型來(lái)決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果程序是在多處理器上運(yùn)行，就為cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在單處理器上運(yùn)行，就省略lock前綴（單處理器自身會(huì)維護(hù)單處理器內(nèi)的順序一致性，不需要lock前綴提供的內(nèi)存屏障效果）。

CAS缺點(diǎn)：

1. ABA問(wèn)題：

比如說(shuō)一個(gè)線程one從內(nèi)存位置V中取出A，這時(shí)候另一個(gè)線程two也從內(nèi)存中取出A，并且two進(jìn)行了一些操作變成了B，然后two又將V位置的數(shù)據(jù)變成A，這時(shí)候線程one進(jìn)行CAS操作發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中仍然是A，然后one操作成功。盡管線程one的CAS操作成功，但可能存在潛藏的問(wèn)題。如下所示：

現(xiàn)有一個(gè)用單向鏈表實(shí)現(xiàn)的堆棧，棧頂為A，這時(shí)線程T1已經(jīng)知道A.next為B，然后希望用CAS將棧頂替換為B：

head.compareAndSet(A,B);

在T1執(zhí)行上面這條指令之前，線程T2介入，將A、B出棧，再pushD、C、A，此時(shí)堆棧結(jié)構(gòu)如下圖，而對(duì)象B此時(shí)處于游離狀態(tài)：

此時(shí)輪到線程T1執(zhí)行CAS操作，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)棧頂仍為A，所以CAS成功，棧頂變?yōu)锽，但實(shí)際上B.next為null，所以此時(shí)的情況變?yōu)椋?/p>

其中堆棧中只有B一個(gè)元素，C和D組成的鏈表不再存在于堆棧中，平白無(wú)故就把C、D丟掉了。

從Java1.5開始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

public boolean compareAndSet(
        V   expectedReference,//預(yù)期引用

        V   newReference,//更新后的引用

       int  expectedStamp, //預(yù)期標(biāo)志

       int  newStamp //更新后的標(biāo)志
)

實(shí)際應(yīng)用代碼：

private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
 
 ........
 
 atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);

2.循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大：

自旋CAS（不成功，就一直循環(huán)執(zhí)行，直到成功）如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。

3.只能保證一個(gè)共享變量的原子操作：

當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

CAS與Synchronized的使用情景：　　　

1、對(duì)于資源競(jìng)爭(zhēng)較少（線程沖突較輕）的情況，使用synchronized同步鎖進(jìn)行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)間的切換操作額外浪費(fèi)消耗cpu資源；而CAS基于硬件實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)入內(nèi)核，不需要切換線程，操作自旋幾率較少，因此可以獲得更高的性能。

2、對(duì)于資源競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重（線程沖突嚴(yán)重）的情況，CAS自旋的概率會(huì)比較大，從而浪費(fèi)更多的CPU資源，效率低于synchronized。

補(bǔ)充： synchronized在jdk1.6之后，已經(jīng)改進(jìn)優(yōu)化。synchronized的底層實(shí)現(xiàn)主要依靠Lock-Free的隊(duì)列，基本思路是自旋后阻塞，競(jìng)爭(zhēng)切換后繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。在線程沖突較少的情況下，可以獲得和CAS類似的性能；而線程沖突嚴(yán)重的情況下，性能遠(yuǎn)高于CAS。

concurrent包的實(shí)現(xiàn)：

由于java的CAS同時(shí)具有 volatile 讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義，因此Java線程之間的通信現(xiàn)在有了下面四種方式：

1. A線程寫volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

2. A線程寫volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

3.A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。

4.A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量。

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的高效機(jī)器級(jí)別原子指令，這些原子指令以原子方式對(duì)內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫操作，這是在多處理器中實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵（從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，能夠支持原子性讀-改-寫指令的計(jì)算機(jī)器，是順序計(jì)算圖靈機(jī)的異步等價(jià)機(jī)器，因此任何現(xiàn)代的多處理器都會(huì)去支持某種能對(duì)內(nèi)存執(zhí)行原子性讀-改-寫操作的原子指令）。同時(shí)，volatile變量的讀/寫和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石。如果我們仔細(xì)分析concurrent包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

1. 首先，聲明共享變量為volatile；　　

2.然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；

3.同時(shí)，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類（java.util.concurrent.atomic包中的類），這些concurrent包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而concurrent包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從整體來(lái)看，concurrent包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：

JVM中的CAS（堆中對(duì)象的分配）：　

Java調(diào)用new object()會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象會(huì)被分配到JVM的堆中。那么這個(gè)對(duì)象到底是怎么在堆中保存的呢？

首先，new object()執(zhí)行的時(shí)候，這個(gè)對(duì)象需要多大的空間，其實(shí)是已經(jīng)確定的，因?yàn)閖ava中的各種數(shù)據(jù)類型，占用多大的空間都是固定的（對(duì)其原理不清楚的請(qǐng)自行Google）。那么接下來(lái)的工作就是在堆中找出那么一塊空間用于存放這個(gè)對(duì)象。

在單線程的情況下，一般有兩種分配策略：

1.指針碰撞：這種一般適用于內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的（內(nèi)存是否規(guī)整取決于內(nèi)存回收策略），分配空間的工作只是將指針像空閑內(nèi)存一側(cè)移動(dòng)對(duì)象大小的距離即可。

2.空閑列表：這種適用于內(nèi)存非規(guī)整的情況，這種情況下JVM會(huì)維護(hù)一個(gè)內(nèi)存列表，記錄哪些內(nèi)存區(qū)域是空閑的，大小是多少。給對(duì)象分配空間的時(shí)候去空閑列表里查詢到合適的區(qū)域然后進(jìn)行分配即可。

但是JVM不可能一直在單線程狀態(tài)下運(yùn)行，那樣效率太差了。由于再給一個(gè)對(duì)象分配內(nèi)存的時(shí)候不是原子性的操作，至少需要以下幾步：查找空閑列表、分配內(nèi)存、修改空閑列表等等，這是不安全的。解決并發(fā)時(shí)的安全問(wèn)題也有兩種策略：

1. CAS：實(shí)際上虛擬機(jī)采用CAS配合上失敗重試的方式保證更新操作的原子性，原理和上面講的一樣。

2. TLAB：如果使用CAS其實(shí)對(duì)性能還是會(huì)有影響的，所以JVM又提出了一種更高級(jí)的優(yōu)化策略：每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，稱為本地線程分配緩沖區(qū)（TLAB），線程內(nèi)部需要分配內(nèi)存時(shí)直接在TLAB上分配就行，避免了線程沖突。只有當(dāng)緩沖區(qū)的內(nèi)存用光需要重新分配內(nèi)存的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行CAS操作分配更大的內(nèi)存空間。

虛擬機(jī)是否使用TLAB，可以通過(guò)-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來(lái)進(jìn)行配置（jdk5及以后的版本默認(rèn)是啟用TLAB的）。

關(guān)于“Java并發(fā)問(wèn)題之樂(lè)觀鎖與悲觀鎖的示例分析”這篇文章就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，使各位可以學(xué)到更多知識(shí)，如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，請(qǐng)把它分享出去讓更多的人看到。