【JavaEE精炼宝库】多线程进阶（1）常见锁策略 | CAS

一、常见的锁策略：

[1.1 悲观锁 | 乐观锁：](#1.1 悲观锁 | 乐观锁：)

[1.2 重量级锁 | 轻量级锁：](#1.2 重量级锁 | 轻量级锁：)

[1.3 自旋锁 | 挂起等待锁：](#1.3 自旋锁 | 挂起等待锁：)

[1.4 公平锁 | 非公平锁：](#1.4 公平锁 | 非公平锁：)

[1.5 可重入锁 | 不可重入锁：](#1.5 可重入锁 | 不可重入锁：)

[1.6 互斥锁 | 读写锁：](#1.6 互斥锁 | 读写锁：)

[1.7 面试题：](#1.7 面试题：)

二、CAS

[2.1 CAS 的概念：](#2.1 CAS 的概念：)

[2.2 CAS 的实现的：](#2.2 CAS 的实现的：)

[2.3 CAS 的应用：](#2.3 CAS 的应用：)

[2.3.1 实现原子类：](#2.3.1 实现原子类：)

[2.3.2 实现自旋锁：](#2.3.2 实现自旋锁：)

[2.4 CAS 的 ABA 问题：](#2.4 CAS 的 ABA 问题：)

[2.4.1 ABA 问题的概述：](#2.4.1 ABA 问题的概述：)

[2.4.2 ABA 问题引来的 BUG：](#2.4.2 ABA 问题引来的 BUG：)

[2.5 解决方案：](#2.5 解决方案：)

[2.6 面试题：](#2.6 面试题：)

终于进入到多线程的进阶了，这里面涉及到的内容面试容易考，但是工作中很少直接用到。

一、常见的锁策略：

注意：接下来讲解的锁策略不仅仅是局限于 Java 。任何和 "锁" 相关的话题，都可能会涉及到以下内容。这些特性主要是给锁的实现者来参考的。我们了解一些，也能更加合理的使用锁。

1.1 悲观锁 | 乐观锁：

加锁的时候，预测当前锁冲突的概率是大还是小。

• 悲观锁：

预测当前锁的冲突概率大，后续要做的工作往往就会更多。加锁的开销就会更大（时间，系统资源）。

• 乐观锁：

预测当前锁的冲突概率不大，后续要做的工作往往就会更少。加锁的开销就会更小（时间，系统资源）。

synchronized 初始使用乐观锁策略。当发现锁竞争比较频繁的时候，就会自动切换成悲观锁策略。所以 synchronized 既是乐观锁也是悲观锁，支持自适应。

1.2 重量级锁 | 轻量级锁：

一般来说，悲观锁往往就是重量级锁（加锁过程做的事情多），乐观锁往往就是轻量级锁（加锁过程做的事情少）。

锁的核心特性 "原子性"，这样的机制追根溯源是 CPU 这样的硬件设备提供的。硬件有提供，软件层面才能实现。

• CPU 提供了 "原子操作指令"。

• 操作系统基于 CPU 的原子指令，实现了 mutex 互斥锁。

• JVM 基于操作系统提供的互斥锁，实现了 synchronized 和 ReentrantLock 等关键字和类。

注意：synchronized 并不仅仅是对 mutex 进行封装，在 synchronized 内部还做了很多其他的工作。

• 重量级锁：

加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex。

这样做的特点有：1. 大量的内核态用户态切换。2. 很容易引发线程的调度。

这两个操作，成本比较高，一旦涉及到用户态和内核态的切换，就意味着 "沧海桑田"。

• 轻量级锁：

加锁机制尽可能不使用 mutex，而是尽量在用户态代码完成，实在搞不定了，再使用 mutex。

这样做的特点有：1. 少量的内核态用户态切换。2. 不太容易引发线程调度。

为什么会有这样的好处呢？举个栗子：

想象去银行办业务。在窗口外，自己做，这是用户态，用户态的时间成本是比较可控的。在窗口内让工作人员做，这是内核态，内核态的时间成本是不太可控的（可能人家处理一半，去做别的事情了）。如果办业务的时候反复和工作人员沟通，还需要重新排队，这时效率是很低的。

重量级锁、轻量级锁和悲观锁、乐观锁的概念有重合的地方，面试的时候要能转的过来。

synchronized 开始是一个轻量级锁。如果锁冲突严重，就会变成重量级锁。

1.3 自旋锁 | 挂起等待锁：

• 自旋锁：

按之前的方式，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但实际上，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。没必要放弃 CPU，这个时候就可以使用自旋锁来处理这样的问题。

自旋锁伪代码：

java 复制代码

while (抢锁(lock) == 失败) {}

⼀旦锁被其他线程释放，就能第⼀时间获取到锁（线程没有被调度）。

自旋锁是一种典型的轻量级锁的实现方式。

优点：没有放弃 CPU，不涉及线程阻塞和调度，⼀旦锁被释放，就能第一时间获取到锁。

缺点：如果锁被其他线程持有的时间比较久，那么就会持续的消耗 CPU 资源，CPU 在空转。

synchronized 中的轻量级锁策略大概率就是通过自旋锁的方式实现的。

• 挂起等待锁：

是重量级锁的一种典型的实现方式，借助系统中的线程调度机制，当尝试加锁，并且锁被占用了，出现锁冲突，就会让当前这个尝试加锁的线程，被挂起（阻塞状态）。此时这个线程就不会参与线程调度了。知道这个锁被释放，然后系统才能唤醒这个线程，去尝试重新获取锁。

1.4 公平锁 | 非公平锁：

• 公平锁：遵守 "先来后到"。B 比 C 先来的。当 A 释放锁的之后，B 就能先于 C 获取到锁。

• 非公平锁：不遵守 "先来后到"。B 和 C 都有可能获取到锁。

其实这两个策略都挺公平的，只是最初的 Java 大佬把先来后到定义成公平，均等机会定义成不公平。

注意：

• 操作系统内部的线程调度就可以视为是随机的。如果不做任何额外的限制，锁就是非公平锁。如果要想实现公平锁，就需要依赖额外的数据结构，来记录线程们的先后顺序。

• 公平锁和非公平锁没有好坏之分，关键还是看业务场景。

synchronized 非公平锁。

1.5 可重入锁 | 不可重入锁：

可重入锁的字面意思是 "可以重新进入的锁"，即允许同一个线程多次获取同一把锁。

例如：一个递归函数里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因可重入锁也叫做递归锁）。

Java里只要以 Reentrant 开头命名的锁都是可重入锁，而且 JDK 提供的所有现成的 Lock 实现类，包括 synchronized 关键字锁都是可重入的。而 Linux 系统提供的 mutex 是不可重入锁。**synchronized 是可重入锁。**这个前面几篇文章有涉及到，这里就不再赘述。

1.6 互斥锁 | 读写锁：

我们平时见到的 synchronized 是普通的互斥锁，读写锁是更加特殊的存在。

多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。

读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。

Java 的读写锁是这样设定的：

• 读锁和读锁之间，不会产生互斥。

• 写锁和写锁之间，会产生互斥。

• 读锁和写锁之间，会产生互斥。

突出体现的是 "读操作和读操作" 之间是共享的（不会互斥），有利于降低锁冲突的概率，提高并发能力。

注意：和之前谈到的数据库中的事务，给读操作加锁：读的时候不能写。给写操作加锁：写的时候不能读。不是一回事。这是在减低并发能力。

读写锁就是把读操作和写操作区分对待。Java 标准库提供了 ReentrantReadWriteLock 类，实现了读写锁。

• ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁。这个对象提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁。

• ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁。这个对象也提供了 lock / unlock 方法进行加锁解锁。

读写锁特别适合于 "频繁读，不频繁写" 的业务中。(这样的场景其实也是非常广泛存在的)。

1.7 面试题：

你是怎么理解乐观锁和悲观锁的，具体怎么实现呢？

答：悲观锁认为多个线程访问同一个共享变量冲突的概率较大，会在每次访问共享变量之前都去真正加锁。乐观锁认为多个线程访问同⼀个共享变量冲突的概率不大，并不会真的加锁，而是直接尝试访问数据。在访问的同时识别当前的数据是否出现访问冲突。悲观锁的实现就是先加锁（比如借助操作系统提供的 mutex）获取到锁再操作数据。获取不到锁就等待。乐观锁的实现可以引入一个版本号。借助版本号识别出当前的数据访问是否冲突。

介绍下读写锁？

答：读写锁就是把读操作和写操作分别进行加锁。读锁和读锁之间不互斥。写锁和写锁之间互斥，写锁和读锁之间互斥，读写锁最主要用在 "频繁读，不频繁写" 的场景中。

什么是自旋锁，为什么要使用自旋锁策略呢，缺点是什么？

答：如果获取锁失败，立即再尝试获取锁，无限循环，直到获取到锁为止，第一次获取锁失败，第二次的尝试，会在极短的时间内到来。一旦锁被其他线程释放，就能第一时间获取到锁。

相比于挂起等待锁：

• 优点：没有放弃 CPU 资源，一旦锁被释放就能第一时间获取到锁，更高效。在锁持有时间比较短的场景下非常有用。

• 缺点：如果锁的持有时间较长，就会浪费 CPU 资源。

synchronized 是可重入锁么？

答：是可重入锁。可重入锁指的就是连续两次加锁不会导致死锁。实现的方式是在锁中记录该锁持有的线程身份，以及⼀个计数器（记录加锁次数），如果发现当前加锁的线程就是持有锁的线程，则直接计数自增。

二、CAS

2.1 CAS 的概念：

CAS：全称Compare and swap，字面意思："比较并交换"。一个 CAS 涉及到以下操作：我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改成的新值B。

比较 A 与 V 是否相等。（比较）
如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
返回操作是否成功。

这是一条 CPU 指令（原子的），可以完成比较和交换。这给我们编写线程安全的代码，打开了新世界的大门。

• CAS 伪代码：

注意：下面写的代码不是原子的，真实的 CAS 是⼀个原子的硬件指令完成的。这个伪代码只是辅助理解 CAS 的工作流程。

address 是内存地址，expectValue 和 swapValue 都是寄存器的值（CPU）。

java 复制代码

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
 &address = swapValue;
 return true;
 }
 return false;
}

当多个线程同时对某个资源进行 CAS 操作，只能有一个线程能操作成功，但是并不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号。

CAS 可以视为是一种乐观锁。（或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)

2.2 CAS 的实现的：

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲：

• java 的 CAS 利用的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作。

• unsafe 的 CAS 依赖的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg。

• Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 CPU 硬件提供的 lock 机制保证其原原性。

简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。

2.3 CAS 的应用：

基本涉及到锁，程序就和高性能无缘了。这里可以为无锁编程提供一些思路（当然大部分情况下，只有加锁才行）。

2.3.1 实现原子类：

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的。典型的就是 AtomicInteger 类。

如下案例：

java 复制代码

import java.util.concurrent.atomic.*;
public class demo1 {
    static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for(int i = 0;i < 50000;i++){
                    count.getAndIncrement();
                }
            }
        };
        Thread t1 = new Thread(runnable);
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

案例演示结果如下：

可以发现是线程安全的。因为这里的 ++ 操作是原子的。

• 伪代码实现：

java 复制代码

class AtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndIncrement() {
        int oldValue = value;
        while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
            oldValue = value;
        }
        return oldValue;
    }
}

• 对上面代码执行过程的刨析：

假设两个线程同时调用 getAndIncrement：

两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中。（oldValue 是⼀个局部变量，在栈上，每个线程有自己的栈）。

线程 1 先执行 CAS 操作。由于 oldValue 和 value 的值相同，直接进行对 value 赋值。

注意：CAS 是直接读写内存的，而不是操作寄存器。 CAS 的读内存，比较，写内存操作是⼀条硬件指令，是原子的。

线程 2 再执行 CAS 操作，第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等，不能进行赋值。因此需要进入循环。在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue。

线程 2 接下来第二次执行 CAS，此时 oldValue 和 value 相同，于是直接执行赋值操作。

线程 1 和线程 2 返回各自的 oldValue 的值即可。

通过形如上述代码就可以实现⼀个原子类。不需要使用重量级锁，就可以高效的完成多线程的自增操作。

2.3.2 实现自旋锁：

• 自旋锁伪代码：

java 复制代码

public class SpinLock {
    private Thread owner = null;
    public void lock(){
        // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.  
        // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待.  
        // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.  
        while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
        }
    }
    public void unlock (){
        this.owner = null;
    }
}

2.4 CAS 的 ABA 问题：

2.4.1 ABA 问题的概述：

假设存在两个线程 t1 和 t2。有一个共享变量 num，初始值为 A。接下来，线程 t1 想使用CAS 把 num 值改成 Z，那么就需要先读取 num 的值，记录到 oldNum 变量中。使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A，如果为 A，就修改成 Z。

但是，在 t1 执行这两个操作之间，t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B，又从 B 改成了 A。

到了这里就有个问题：线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改。但是 num 的值已经被 t2 给改了。只不过又改成 A 了。这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z ?

这就好比，我们买一个手机，无法判定这个手机是刚出厂的新手机，还是别人用旧了，又翻新过的手机。

2.4.2 ABA 问题引来的 BUG：

大部分的情况下，t2 线程这样的一个反复横跳改动，对于 t1 是否修改 num 是没有影响的。但是不排除一些特殊情况。

案例：假设滑稽有 100 存款。滑稽想从 ATM 取 50 块钱。取款机创建了两个线程，并发的来执行 -50 操作。我们期望一个线程执行 -50 成功，另一个线程 -50 失败。如果使用 CAS 的方式来完成这个扣款过程就可能出现问题。

• 正常的过程：

存款 100，线程 1 获取到当前存款值为 100，期望更新为 50。线程 2 获取到当前存款为 100，期望更新为 50。线程 1 执行扣款成功，存款被改成 50。线程 2 阻塞等待中。轮到线程 2 执行，发现当前存款为 50，和之前读到的 100 不相同，执行失败。

• 异常的过程：

存款 100。线程 1 获取到当前存款值为 100，期望更新为 50。线程 2 获取到当前存款为 100，期望更新为 50。线程 1 执行扣款成功，存款被改成 50。线程 2 阻塞等待中。在线程 2 执行之前，滑稽的朋友正好给滑稽转账 50，账户余额变成 100。轮到线程 2 执行了，发现当前存款为 100，和之前读到的 100 相同，再次执行扣款操作，这个时候，扣款操作被执行了两次。这就是是 ABA 问题搞的鬼。

2.5 解决方案：

给要修改的值，引入版本号（约定版本号只能加，不能减，每次操作一次余额，版本号都要 + 1）。在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期。CAS 操作在读取旧值的同时，也要读取版本号。真正修改的时候，如果当前版本号和读到的版本号相同，则修改数据，并把版本号 +1。如果当前版本号高于读到的版本号。就操作失败（认为数据已经被修改过了）。

可以看到：如果数据本身属于 "能加也能减"，就容易出现 ABA 问题。

2.6 面试题：

1. 讲解下你自己理解的 CAS 机制：

全称 Compare and swap，即"比较并交换"。相当于通过⼀个原子的操作，同时完成 "读取内存，比较是否相等，修改内存" 这三个步骤。本质上需要 CPU 指令的支撑。

2. ABA问题怎么解决？

给要修改的数据引入版本号。在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期。如果发现当前版本号和之前读到的版本号一致，就真正执行修改操作，并让版本号自增。如果发现当前版本号比之前读到的版本号大，就认为操作失败。

结语：

其实写博客不仅仅是为了教大家，同时这也有利于我巩固知识点，和做一个学习的总结，由于作者水平有限，对文章有任何问题还请指出，非常感谢。如果大家有所收获的话还请不要吝啬你们的点赞收藏和关注，这可以激励我写出更加优秀的文章。

【JavaEE精炼宝库】多线程进阶（1）常见锁策略 | CAS | ABA问题

一、常见的锁策略：

1.1 悲观锁 | 乐观锁：

1.2 重量级锁 | 轻量级锁：

1.3 自旋锁 | 挂起等待锁：

1.4 公平锁 | 非公平锁：

1.5 可重入锁 | 不可重入锁：

1.6 互斥锁 | 读写锁：

1.7 面试题：

二、CAS

2.1 CAS 的概念：

2.2 CAS 的实现的：

2.3 CAS 的应用：

2.3.1 实现原子类：

2.3.2 实现自旋锁：

2.4 CAS 的 ABA 问题：

2.4.1 ABA 问题的概述：

2.4.2 ABA 问题引来的 BUG：

2.5 解决方案：

2.6 面试题：