Java性能 -- CAS樂觀鎖

synchronized / Lock / CAS

1. synchronized和Lock實(shí)現(xiàn)的同步鎖機(jī)制，都屬于悲觀鎖，而CAS屬于樂觀鎖
2. 悲觀鎖在高并發(fā)的場(chǎng)景下，激烈的鎖競(jìng)爭(zhēng)會(huì)造成線程阻塞，而大量阻塞線程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的上下文切換，增加系統(tǒng)的性能開銷

樂觀鎖

1. 樂觀鎖：在操作共享資源時(shí)，總是抱著樂觀的態(tài)度進(jìn)行，認(rèn)為自己能夠完成操作
2. 但實(shí)際上，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)操作一個(gè)共享資源時(shí)，只有一個(gè)線程會(huì)成功，失敗的線程不會(huì)被掛起，僅僅只是返回
3. 樂觀鎖相比于悲觀鎖來說，不會(huì)帶來死鎖、饑餓等活性故障問題，線程間的相互影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比悲觀鎖要小
   • 樂觀鎖沒有因競(jìng)爭(zhēng)而造成的系統(tǒng)上下文切換，所以在性能上更勝一籌

實(shí)現(xiàn)原理

1. CAS是實(shí)現(xiàn)樂觀鎖的核心算法，包含3個(gè)參數(shù)：V（需要更新的變量），E（預(yù)期值）、N（最新值）
2. 只有V等于E時(shí)，V才會(huì)被設(shè)置為N
3. 如果V不等于E了，說明其它線程已經(jīng)更新了V，此時(shí)該線程不做操作，返回V的真實(shí)值

CAS實(shí)現(xiàn)原子操作

AtomicInteger是基于CAS實(shí)現(xiàn)的一個(gè)線程安全的整型類，Unsafe調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)原子操作

// java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

// sun.misc.Unsafe
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;
}

public native int     getIntVolatile(Object o, long offset);

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

處理器實(shí)現(xiàn)原子操作

1. CAS是調(diào)用處理器底層指令來實(shí)現(xiàn)原子操作的
2. 處理器和物理內(nèi)存之間的通信速度要遠(yuǎn)低于處理器間的處理速度，所以處理器有自己的內(nèi)部緩存（L1/L2/L3）
3. 服務(wù)器通常為多處理器，并且處理器是多核的，每個(gè)處理器維護(hù)了一塊字節(jié)的緩存存，每個(gè)內(nèi)核也維護(hù)了一塊字節(jié)的緩存
   • 此時(shí)在多線程并發(fā)就會(huì)存在緩存不一致的問題，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致
4. 處理器提供了總線鎖定和緩存鎖定兩種機(jī)制來保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性
   • 總線鎖定
     • 當(dāng)處理器要操作一個(gè)共享變量時(shí)，會(huì)在總線上會(huì)發(fā)出一個(gè)Lock信號(hào)，此時(shí)其它處理器就不能操作共享變量了
     • 總線鎖定在阻塞其他處理器獲取該共享變量的操作請(qǐng)求時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致大量阻塞，從而增加系統(tǒng)的性能開銷
   • 緩存鎖定（后來出現(xiàn)）
     • 當(dāng)某個(gè)處理器對(duì)緩存中的共享變量進(jìn)行了操作，就會(huì)通知其他處理器放棄存儲(chǔ)或者重新讀取該共享變量
     • 目前最新的處理器都支持緩存鎖定機(jī)制

優(yōu)化CAS樂觀鎖

1. 樂觀鎖在并發(fā)性能上要優(yōu)于悲觀鎖
   • 但在寫大于讀的操作場(chǎng)景下，CAS失敗的可能性增大，如果循環(huán)CAS，會(huì)長時(shí)間占用CPU
   • 例如上面的AtomicInteger#getAndIncrement
2. JDK 1.8中，提供了新的原子類LongAdder
   • LongAdder在高并發(fā)場(chǎng)景下會(huì)比AtomicInteger和AtomicLong的性能更好，代價(jià)是消耗更多的內(nèi)存空間
     • 核心思想：空間換時(shí)間
     • 實(shí)現(xiàn)原理：降低操作共享變量的并發(fā)數(shù)
   • LongAdder內(nèi)部由一個(gè)base變量和一個(gè)cell[]數(shù)組組成
     • 當(dāng)只有一個(gè)寫線程（沒有競(jìng)爭(zhēng)）
       • LongAdder會(huì)直接使用base變量作為原子操作變量，通過CAS操作修改base變量
     • 當(dāng)有多個(gè)寫線程（存在競(jìng)爭(zhēng)）
       • 除了占用base變量的一個(gè)寫線程外，其他寫線程的value值會(huì)分散到cell數(shù)組中
       • 不同線程會(huì)命中到數(shù)組的不同槽中，各個(gè)線程只對(duì)自己槽中的value進(jìn)行CAS操作
       • value=base+∑ni=0Cell[i]
   • LongAdder在操作后的返回值只是一個(gè)近似準(zhǔn)確的值，但最終返回的是一個(gè)準(zhǔn)確的值
     • LongAdder不適合實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景

性能對(duì)比

1. 讀大于寫，讀寫鎖ReentrantReadWriteLock、讀寫鎖StampedLock、樂觀鎖LongAdder的性能最好
2. 寫大于讀，樂觀鎖的性能最好，其他四種鎖的性能差不多
3. 讀約等于寫，兩種讀寫鎖和樂觀鎖的性能要優(yōu)于synchronized和Lock

小結(jié)

1. 樂觀鎖的常見使用場(chǎng)景：數(shù)據(jù)庫更新
   • 為每條數(shù)據(jù)定義一個(gè)版本號(hào)，在更新前獲取版本號(hào)，在更新數(shù)據(jù)時(shí)，再判斷版本號(hào)是否被更新過，如果沒有才更新數(shù)據(jù)
2. CAS樂觀鎖的使用比較受限，因?yàn)闃酚^鎖只能保證單個(gè)變量操作的原子性
3. CAS樂觀鎖在高并發(fā)寫大于讀的場(chǎng)景下
   • 大部分線程的原子操作會(huì)失敗，失敗后的線程將不斷重試CAS原子操作，導(dǎo)致大量線程長時(shí)間占用CPU資源
   • JDK 1.8中，新增了原子類LongAdder，采用空間換時(shí)間的思路解決了這個(gè)問題，但實(shí)時(shí)性不高