Java并发：乐观锁

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汤圆学Java 2021-07-06 10:00:23

文章标签 后端 Java 文章分类 Java 后端开发

简介

悲观锁和乐观锁都属于比较抽象的概念；

我们可以用拟人的手法来想象一下：

悲观锁：像有些人，凡事都往坏的想，做最坏的打算；在java中就表现为，总是认为其他线程会去修改共享数据，所以每次操作共享数据时，都要加锁（比如我们前面介绍过的内置锁和显式锁）
乐观锁：像乐天派，凡事都往好的想，做最好的打算；在Java中就表现为，总是认为其他线程都不会去修改共享数据，所以每次操作共享数据时，都不加锁，而是通过判断当前状态和上一次的状态，来进行下一步的操作；（比如这节要介绍的无锁，其中最常见的实现就是CAS算法）

正文

1. 乐观锁的简单实现：CAS

CAS的实现原理是比较并交换，简单点来说就是，更新数据之前，会先检查数据是否有被修改过：

如果没有修改，则直接更新；
如果有被修改过，则重试；

下面我们通过一个代码来看下CAS的应用，这里举的例子是原子类AtomicInteger

public class AtomicDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            service.submit(()->{
              	// 这里会先检查AtomicInteger中的值是否被修改，如果没被修改，才会更新，否则会自旋等待
                atomicInteger.getAndIncrement();
            });
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

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可以看到，输出的永远都是101，说明结果符合预期；

这里我们看下getAndIncrement的源码，如下所示：

// AtomicInteger.java
public final int getAndIncrement() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
// UnSafe.java
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  // 这里就是上面的CAS算法核心
  do {
    // 1. 先取出期望值 var5（var1为值所在的对象，var2为字段在对象中的位移量）
    var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    // 2. 然后赋值时，获取当前值，跟刚才取出的期望值 var5作比较
    // 2.1 如果比较后发现值被修改了，则循环do while，直到当前值符合预期，才会进行更新操作(默认10次，超过10次还不符合预期，就会挂起线程，不再浪费CPU资源)
    // 2.2 如果比较后发现值没被修改，则直接更新
  } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    // 3. 返回旧值，即期望值
  return var5;
}

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这里假设我们不是用的原子变量，而是普通的int来执行自增，那么就有可能出现结果<预期的情况（因为自增不是原子操作），比如下面的代码

// 不要用这种方式来修改int值，不安全
public class AtomicDemo {
    static int m = 1;
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            final int j = i;
            service.submit(()->{
                m++;
            });
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(m);
    }
}
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多运行几次，你会发现结果可能会小于预期，所以这就是原子类的好处：不用加锁就可以实现自增等原子操作

2. 乐观锁的优点&缺点

它的优点很多，比如：

没有锁竞争，也就不会产生死锁问题
不需要来回切换线程，降低了开销（悲观锁需挂起和恢复线程，如果任务执行时间又很短，那么这个操作就会很频繁）

优点看起来还可以，那它有没有缺点呢？也是有的：

ABA问题：比如线程1将共享数据A改为B，然后过一会又改为A，那么此时线程2访问数据时，会认为该数据没被修改过（当前值符合预期值），这样我们就无法得知数据中间是否真的被修改过，以及修改的次数
开销问题：如果自旋一直不符合预期值，那么就会一直自旋，从而导致开销很大(JDK6之前)
原子操作的局限性问题：虽然CAS可以保证原子操作，但是只是针对单个数据而言的；如果有多个数据需要同步，CAS还是无能为力

下面我们就针对这几个缺点来提出对于的解决方案

ABA问题

出现ABA问题，主要是因为我们没有对修改过程进行记录（就好比程序中的日志记录功能）

那么我们可以通过版本号的方式来记录每次修改，比如每修改一次，给对象的版本号属性加1

不过现在有了AtomicStampedReference这个类，它帮我们封装了所需的状态值，拿来即用，如下所示：

public class AtomicStampedReference<V> {

    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        // 这里的stamp就是状态值，每次CAS都会同时比较当前值T和状态值stamp
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }
    // 下面就是同时比较当前值和状态值
     public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
}
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开销问题

利用CAS进行自旋操作时，如果发现当前值一直都不等于期望值，就会一直循环（JDK6之前）

所以这里就引出了一个适应性自旋锁的概念：当尝试过N次后，发现还是不成功，则退出循环，挂起线程（JDK6之后，有了适应性自旋锁）

这里的N是不固定的，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源

---- 参考自《不可不说的Java“锁”事》

大致意思就是，如果一个线程之前自旋成功过，获取过锁，那么后面就会让这个线程多自旋一会，比如20次（信用高）

但是如果如果一个线程之前自旋没成功过或者很少成功，那么后面就会让这个线程少自旋一会，比如5次（信用低）

这里需要纠正一个观点：自旋锁的次数设置问题，从JDK6开始，-XX:PreBlockSpin这个VM参数已经没有意义了，在JDK7中已经被移除了；JDK6版本之后，默认都是用适应性自旋锁来动态设置自旋的次数

如下图所示：

Java并发：乐观锁_后端

在IDEA中添加-XX:PreBlockSpin=1参数，运行会报错如下：

Java并发：乐观锁_Java_02

原子操作的局限性问题

CAS的原子操作只是针对单个共享变量而言的（就像前面介绍的同步容器一样，虽然每个方法都有锁，但是复合操作却无法保证原子性）

不过AtomicReference这个类会有所帮助，它内部有一个V属性，我们可以将多个共享变量封装到这个V属性中，然后再对V进行CAS操作

源码如下：

public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
	// 这里的V我们可以自己定义一个类，然后将多个共享变量都封装进去
    private volatile V value;
}
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3. 乐观锁的适用场景

分析乐观锁的适用场景之前，我们可以先看下悲观锁的适用场景

悲观锁是一来就上锁，所以比较适合写多读少的场景，因为上了锁，可以保证数据的一致性

那么乐观锁对应的，就是从来都不上锁，所以比较适合读多写少的场景，因为读不会修改数据，所以CAS时成功的概率很大，也就不会有额外的开销

总结

乐观锁的简单实现：CAS，比较并交换
乐观锁的优点&缺点：

优点	缺点
没有锁竞争，也就不会产生死锁问题	ABA问题（加状态值解决）
不需要来回切换线程，降低了开销	自旋时间过长导致的开销问题（旧版本JDK6之前才有的问题，JDK6之后默认用适应性自旋来动态设置自旋次数）
	多个共享变量不能保证原子操作（用AtomicReference封装多个共享变量）