举例说明混合使用CAS和传统锁机制的成功案例

在高并发编程中，混合使用CAS（Compare-And-Swap）和传统锁机制是一种非常成功的策略，它能在保证线程安全的同时，显著提升性能。下面通过几个经典案例来说明这种混合模式的巧妙之处。

JDK 1.8 中的 ConcurrentHashMap是混合使用 CAS 和 synchronized锁的典范。

CAS 的应用场景：
- 初始化和扩容控制 ：在初始化哈希表数组或判断是否需要扩容时，会操作一个名为 sizeCtl的变量。代码通过 CAS 操作来原子性地更新 sizeCtl的值，例如尝试将其从一个状态设置为扩容标志。如果 CAS 失败，说明有其他线程已经在进行扩容操作，当前线程便会协助扩容，而不是重复操作或阻塞等待。这避免了使用重量级锁带来的开销。
- 空桶插入：当向一个空的哈希桶（数组位置）插入新节点时，代码会先使用 CAS 操作尝试将新节点设置到该位置。如果 CAS 成功，则表示插入完成，无需加锁。这在高并发环境下，当哈希冲突不严重时，极大地提升了插入速度。
synchronized 锁的应用场景：
- 当发生哈希冲突，需要向非空的桶（可能是链表或红黑树）进行插入、更新或删除操作时，ConcurrentHashMap会使用 synchronized关键字锁定这个桶的头节点。锁的粒度非常细，只针对当前操作的桶，其他桶的读写操作不受影响。这种细粒度锁确保了在存在竞争的情况下，对链表或树结构修改的线程安全。

这种设计的好处是：在低竞争 （如多数桶为空）情况下，利用无锁的 CAS 获得接近无锁的高性能；在高竞争（如操作同一个桶）情况下，通过细粒度的同步锁保证数据一致性，实现了性能与安全的平衡。

LongAdder是针对高并发计数场景设计的类，它通过一种称为"分段"的思想混合了 CAS 和类似锁的竞争机制。

核心思想 ：当多个线程同时更新一个计数器时，如果只用一个变量（如 AtomicLong），CAS 竞争会非常激烈，导致大量线程不断重试。LongAdcedr的内部维护了一个基准值（base）和一个动态的单元数组（Cell[]）。
CAS 的应用 ：当线程要增加数值时，首先会尝试使用 CAS 操作更新 base值。如果成功，操作就完成了。
"分段"锁思想的体现 ：如果线程在更新 base时 CAS 失败，说明发生了竞争。它不会一直自旋，而是会根据自己的哈希值映射到 Cell数组中的某个单元，然后尝试对这个单元内的变量进行 CAS 更新。这样，就将对单一热点的竞争分散到了多个单元上。
退避策略 ：如果对某个 Cell的 CAS 操作也失败了，LongAdder并不会让线程无限重试，而是会尝试扩容 Cell数组，进一步分散竞争。这类似于一种轻量的"锁升级"策略，通过扩大资源来减少冲突。

最终，获取总值时，只需将 base和所有 Cell的值累加即可。这种"分散竞争"的策略，使得 LongAdder在高并发写场景下的性能远高于 AtomicLong，是典型的以空间换时间的成功案例。

Java 虚拟机（JVM）内部的 synchronized 锁优化策略------锁升级，本身就是一种根据竞争强度动态混合无锁、CAS 和重量级锁的机制。

偏向锁（可视为一种乐观无锁优化）：初期，锁会偏向于第一个获得它的线程。之后该线程再进入同步块时，无需任何同步操作（如 CAS），仅仅检查对象头的标记即可，开销极小。这适用于几乎没有锁竞争的场景。
轻量级锁（主要依赖 CAS） ：当有第二个线程尝试获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁。线程会通过 CAS 操作尝试在栈帧中创建锁记录（Lock Record）并更新对象头。如果成功，则获得锁；如果失败，则会自旋重试一定次数。
重量级锁（传统互斥锁）：如果自旋重试超过一定次数（或等待线程过多），锁会升级为重量级锁。未能获取锁的线程会被挂起，进入阻塞队列，等待操作系统的调度唤醒。这时，synchronized 就表现为一个真正的互斥锁。

这个过程完美体现了混合策略的精髓：根据实时竞争情况，从开销最小的方案（偏向锁）平滑过渡到最安全的方案（重量级锁），在绝大多数时间避免了昂贵的线程阻塞和唤醒。

从这些成功案例中，我们可以提炼出混合使用 CAS 和锁的通用模式：