Java 并发（三） —— 锁

一、悲观锁

并发访问共享资源时，冲突概率可能非常高，所以**先加锁，**再访问修改共享资源前。

缺点：

高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。

可能会存在死锁问题（线程获得锁的顺序不当时），影响代码的正常运行。

1.互斥锁与自旋锁

当加锁失败时：

互斥锁用**「线程切换」**来应对：两次线程上下文切换，性能损耗比较大
自旋锁用**「忙等待」**来应对：需要一直占有CPU，性能开销小

自旋锁适用于明确知道被锁住的代码的执行时间很短，等待时间不长的情况。

2.读写锁

适用于明确区分读操作和写操作的场景。读操作并发性很强

读优先锁：写线程会被饿死
写优先锁：读线程会被饿死
公平读写锁：用队列根据先入先出原则对读、写线程进行排队，读写线程都不会饿死

写锁可以降级为读锁，但是读锁却不能升级为写锁。这是因为读锁升级为写锁会引起线程的争夺，毕竟写锁属于是独占锁，这样的话，会影响性能。

另外，还可能会有死锁问题发生。举个例子：假设两个线程的读锁都想升级写锁，则需要对方都释放自己锁，而双方都不释放，就会产生死锁。

二、乐观锁

并发访问共享资源时，冲突概率可能非常低，所以先访问修改共享资源，再检查，如果发生冲突则放弃本次修改。

优点：

高并发的场景下，乐观锁相比悲观锁来说，不存在锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁问题，在性能上往往会更胜一筹。

缺点：

如果冲突频繁发生（写占比非常多的情况），会频繁失败并重试，这样同样会非常影响性能，导致 CPU 飙升。

1.版本号机制

一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

2.CAS算法

CAS（Compare-And-Swap, 比较并交换）的思想很简单，就是用++一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新++ 。CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

缺点：

"ABA"问题： 如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。

CAS 经常会用到自旋操作 来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。（基于 CAS 实现的自旋锁是悲观锁）

CAS 操作仅能对单个共享变量有效。

2.1. CAS 在 Java 中的实现：Unsafe 类

Unsafe类中的 CAS 方法是native方法。native关键字表明这些方法是用本地代码（通常是 C 或 C++）实现的，而不是用 Java 实现的。这些方法直接调用底层的硬件指令来实现原子操作。

java 复制代码

Unsafe#getAndAddInt源码

// 原子地获取并增加整数值
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        // 以 volatile 方式获取对象 o 在内存偏移量 offset 处的整数值
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    // 返回旧值
    return v;
}

可以看到，getAndAddInt 使用了 do-while 循环：在compareAndSwapInt操作失败时，会不断重试直到成功。也就是说，getAndAddInt方法会通过 compareAndSwapInt 方法来尝试更新 value 的值，如果更新失败（当前值在此期间被其他线程修改），它会重新获取当前值并再次尝试更新，直到操作成功。

由于 CAS 操作可能会因为并发冲突而失败，因此通常会与while循环搭配使用，在失败后不断重试，直到操作成功。这就是 自旋锁机制 。

2.2. Unsafe 类的应用：Atomic 类

java 复制代码

AtomicInteger核心源码

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

static {
    try {
        // 获取"value"字段在AtomicInteger类中的内存偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 确保"value"字段的可见性
private volatile int value;

// 如果当前值等于预期值，则原子地将值设置为newValue
// 使用 Unsafe#compareAndSwapInt 方法进行CAS操作
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

// 原子地将当前值加 delta 并返回旧值
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

// 原子地将当前值加 1 并返回加之前的值（旧值）
// 使用 Unsafe#getAndAddInt 方法进行CAS操作。
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// 原子地将当前值减 1 并返回减之前的值（旧值）
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

AtomicInteger是 Java 的原子类之一，主要用于对 int 类型的变量进行原子操作，它利用Unsafe类提供的 低级别原子操作方法实现无锁的线程安全性。

总结

Java 中 Unsafe 类提供原子操作（CAS），这些原子操作通过调用 native 方法来执行。

Atomic 原子类通过调用 Unsafe 类中的方法保证了硬件级别的原子操作 ，实现了原子性 ，再通过 volatile 关键字 保证多线程之间变量的可见性 ，二者的结合才有了 多线程下的 CAS 乐观锁。

三、其它锁

1.公平锁与非公平锁

公平锁 : 锁被释放之后，先申请的线程先得到锁。性能较差一些，因为公平锁为了保证时间上的绝对顺序，上下文切换更频繁。
非公平锁：锁被释放之后，后申请的线程可能会先获取到锁，是随机或者按照其他优先级排序的。性能更好，但可能会导致某些线程永远无法获取到锁。

2.可中断锁与不可中断锁

可中断锁 ：获取锁的过程中可以被中断，不需要一直等到获取锁之后才能进行其他逻辑处理。ReentrantLock 就属于是可中断锁。
不可中断锁 ：一旦线程申请了锁，就只能等到拿到锁以后才能进行其他的逻辑处理。 synchronized 就属于是不可中断锁。

3.共享锁与独占锁

共享锁：一把锁可以被多个线程同时获得。
独占锁：一把锁只能被一个线程获得。

四、参考

【多线程与高并发】- synchronized锁的认知_双机运行 synchronized能否生效-CSDN博客

源码级别的讲解JAVA 中的CAS_cas源码-CSDN博客

乐观锁和悲观锁详解 | JavaGuide

Java并发编程面试题 | 小林coding (xiaolincoding.com)