Java锁机制2.0

Posted 2022-04-18 364.99°

在 Java锁机制1.0中已经介绍了 锁 这种抽象概念，Java如何实现互斥锁（synchronized）、互斥锁的工作原理以及互斥锁的优化 及 锁的四种状态及其转化条件。

1.为什么需要CAS

悲观： 操作系统会悲观的认为如果不严格同步线程调用，就一定会造成异常。

悲观锁： 当有多个线程要操作同一对象，如果使用互斥锁，但是它的同步方式是悲观的，所以互斥锁将会锁定资源，只供一个线程调用，而阻塞其他线程——悲观锁。

悲观锁不适用场景1： 当大部分调用都是读操作（线程安全问题都是对全局/静态变量进行写操作造成的），那么就没有必要在每次调用的时候都锁定资源。

悲观锁不适用场景2： 同步代码块执行的耗时远远小于线程切换的耗时。

那么，如何不对共享资源进行锁定，也能对线程调用进行协调呢？

于是，CAS（Compare And Swap） 算法就诞生了。

2.啥是CAS？

通过下列场景进行描述CAS：两个线程争夺一个对象资源的情况。

注意： 上述的比较值和切换值同一时间只能有一个线程进行操作 → CAS必须是原子性的

如何实现CAS的原子性？
当然不能通过锁

各种不同的4架构的CPU都提供了指令级别的CAS原子操作，如X86（cmpxchg支持CAS）、ARM（LL/SC）,而不需要通过操作系统的同步原语（如mutex），CPU已经原生支持了CAS，上层调用即可，这样就能不依赖锁来进行线程同步。但这样并不意味着CAS就能代替锁。

这些通过CAS来实现同步的工具，由于不会锁定资源。而且当线程需要修改共享资源时，总是会乐观地认为对象状态值没有被其他线程修改过，而是每次自己都会主动尝试去比较状态值，相较于悲观锁，这种机制被称为 乐观锁 。但这是一种无锁的同步机制。

3.Java如何实现CAS

案例： 使用3条线程，将一个值，从0累加到1000

先演示不用锁，也不用CAS来进行

public class TestDemo1 
    static int num = 0;

    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 0; i < 3; i++) 
            Thread thread = new Thread(() -> 
                while (true)
                    if (num >= 1000)
                        break;
                    
                    System.out.println("thread name: " + Thread.currentThread().getName() + ":" + num++);
                
            );
            thread.start();
        
    

查看控制台输出：

出现了重复打印的结果

接着演示，使用互斥锁（悲观锁）来改进：

public class TestDemo1 
    static int num = 0;

    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 0; i < 3; i++) 
            Thread thread = new Thread(() -> 
                while (true)
                    synchronized (TestDemo1.class) //给对象资源上锁
                        if (num >= 1000)
                            break;
                        
                        System.out.println("thread name: " + Thread.currentThread().getName() + ":" + num++);
                    
                
            );
            thread.start();
        
    

使用CAS

public class TestDemo1 
    static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) 
        for (int i = 0; i < 3; i++) 
            Thread thread = new Thread(() -> 
                while (true)
                    if (num.get() >= 1000)
                        break;
                    
                    System.out.println("thread name: " + Thread.currentThread().getName() + ":" + num.incrementAndGet());
                
            );
            thread.start();
        
    

4.AtomicInteger是如何实现CAS同步的？

使用 Unsafe.compareAndSwapInt 进行更新

进入源码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable 
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

	//设置使用 Unsafe.compareAndSwapInt 进行更新
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

找到incrementAndGet()

public final int incrementAndGet() 
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    

进一步点进getAndAddInt()
可以看到，其调用了compareAndSwapInt()

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) 
        int var5;
        //这个循环就是自旋操作
        do 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
         while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    

注意： 此处的自旋并不会一直循环下去，其默认最大循环次数为10

5.了解unsafe类

java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供了以下功能：

• 通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存
• 可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的
• 挂起与恢复（park挂起线程、unpark恢复挂起的线程）
• CAS操作（通过compareAndSwapXXX方法实现）
  CAS操作有3个操作数，内存值M，预期值E，新值U，如果M==E，则将内存值修改为B，否则啥都不做。